F.A.Q. по генерированию, генераторам и работе с ними

[Jackson]

F.A.Q. содержит опыт и знания, полученные при работе с малыми и сверхмалыми генераторами и электростанциями.

1. Режимы работы генератора в электрической сети
2. Cинхронизация генераторов при включении их на параллельную работу
3. Возможна ли параллельная работа генераторов с разнотипной автоматикой?
4. Возможна ли параллельная работа генераторов разного типа и мощности
5. Возможна ли синхронизация генераторного агрегата 0,4 кВ с шинами 10 кВ (через повышающий трансформатор)?
6. Защита от перегрузки системы возбуждения генератора - как и зачем?
7. Можно ли отключать аккумуляторы от работающего генератора?
8. Какие ещё причины, кроме описанной в п.7, выводят из строя электронику?

[Jackson]

При планировании/проектировании электрической сети объекта, в которой предполагается наличие собственного генератора или нескольких генераторов, важно четко понимать, в каком режиме будет работать этот генератор (генераторы), поскольку это накладывает требования к построению всей сети объекта. Нередко из-за того что режим работы генератора не определен при проектировании, его работа в рамках задач, решаемых объектом, оказывается либо неэффективна, либо вообще невозможна.

Каждый из режимов определяет также и требования к автоматике, которой должен быть снабжен генератор, и к самому генераторному агрегату в части оснащения его оборудованием, а также к степени его автоматизации. Опять-таки, игнорирование этих требований, вытекающих из назначения, может привести к тому что агрегат(ы) не сможет(ут) обеспечить необходимый режим работы.

Еще один нюанс. Разные типы генераторных агрегатов (дизельный, газопоршневой, газотурбинный, паротурбинный, гидротурбинный, солнечный, ветряной и т.п.) имеют разные особенности, поэтому важно сначала определить режим работы агрегата в сети, и только потом выбирать тип установки, поскольку некоторые особенности разных типов агрегатов просто не позволят им работать в некоторых режимах. Например использовать газопоршневой генератор для режима резервирования сети, как правило, невозможно в силу того, что такой агрегат не выдерживает разовых набросов и сбросов нагрузки больше чем 20-25% от своего номинала (может начаться детонация газовой смеси, чуткая защита от детонации экстренно остановит генератор). То же самое относится к малым и сверхмалым гидротурбинам, ротор которых, в силу недостаточной массы и инерции, может просто остановиться при значительном набросе нагрузки.

[+] 1.Автономная работа, один генератор.

1. Автономная работа, один генератор.

mode island single.png (12.78 КБ) 2429 просмотров

Имеется только один источник энергии, которым является генераторный агрегат.
Требования к оснащению генераторного агрегата:

• наличие как минимум неуправляемого регулятора частоты вращения для поддержания номинальной частоты
• наличие как минимум неуправляемого регулятора напряжения для поддержания номинального напряжения
• первая степень автоматизации

Особенности режима:
Самый простой режим. Генератор работает - есть электричество; генератор не работает - нет электричества. Рекомендуемый тип приводного двигателя - дизельный или газотурбинный. Управление частотой и напряжением генератора не требуется - агрегат за счет собственных простейших регуляторов должен поддерживать номинальную частоту и напряжение. Тем не менее, автоматический выключатель генератора (далее везде - ВГ) строго необходим - этим требованием иногда пренебрегают в целях экономии. Генератор должен быть защищен от токов короткого замыкания и перегрузки, в противном случае есть риск повредить как генератор, так и приводной двигатель. Необходим также запас топлива в расходном танке и система, обеспечивающая пополнение этого расходного танка. Минимально достаточная система - сигнализация о низком уровне топлива для того, чтобы персонал вручную долил/закачал топливо в расходный танк до того, как агрегат остановится. Для районов и объектов с тяжелыми условиями эксплуатации (низкие температуры, вибрация), такие как например загородный дом в зимнее время, железнодорожный вагон, необходимо соответствующее исполнение всех компонентов: управляющий контроллер с рабочей температурой до -40 градусов, наличие предпускового подогрева, для мобильных объектов - средства гашения ударов и вибрации (амортизаторы). Для использования в бытовых условиях (населенный пункт) необходим шумопоглощающий кожух и система газовыхлопа с повышеннными требованиями глушителю.
Требования к автоматике:
Контроллер для одиночной работы, обеспечивающий полный цикл пуска и остановки, с включением и отключением ВГ, предпусковой подготовкой и расхолаживанием, защиты по механическим (разнос, давление и температура смазочного масла, температура охлаждающей жидкости) и электрическим (перегрузка. короткое замыкание, отклонение напряжения и частоты) параметрам, при необходимости с функцией пополнения расходного танка, удаленным мониторингом.

[+] 2. Резервирование сети одним генератором.

2. Резервирование сети одним генератором.
Общепринятое название режима - AMF (Automatic Mains Failure).

Имеется два источника энергии. Основным источником является сеть, при неполадках которой в работу включается генератор, а при восстановлении сети генератор останавливается. Параллельная работа генератора и сети не предусматривается даже кратковременная и по возможности выполняется взаимоблокировка сетевого и генераторного выключателей, исключающая их одновременное включение. Блокировка выполняется:

• механически средствами выключателей/контакторов;
• электрически цепями управления выключателей/контакторов;
• программно в контроллере управления.

Как правило, достаточно только программной блокировки, однако если предусматривается ручное управление по цепям, обходящим контроллер, то настоятельно рекомендуется применять и остальные способы блокировки.
Требования к оснащению генераторного агрегата:

• наличие как минимум неуправляемого регулятора частоты вращения для поддержания номинальной частоты
• наличие как минимум неуправляемого регулятора напряжения для поддержания номинального напряжения
• вторая степень автоматизации

Особенности режима:
Генератор находится в постоянной готовности к запуску, в прогретом состоянии, в ожидании команды на запуск. При обнаружении критического отклонения параметров сети происходит отключение выключателя сети (здесь и далее везде по тексту - ВС), запуск генератора и включение его на нагрузку. При восстановлении номинальных параметров сети, происходит отключение выключателя генератора, затем включение выключателя сети, затем генератор останавливается и возвращается в режим ожидания. Рекомендуемый тип приводного двигателя - дизельный или газотурбинный. Управление частотой и напряжением генератора не требуется - агрегат за счет собственных простейших регуляторов должен поддерживать номинальную частоту и напряжение.
Мощность генератора должна быть достаточной для питания нагрузки, кроме того необходимо учитывать пусковые токи потребителей. Например, для пуска насоса необходим резерв мощности генератора, превышающий мощность насоса как минимум в два раза (часто - минимум в три раза).
Требования к автоматике:
Контроллер для одиночной работы, обеспечивающий полный цикл пуска и остановки, с включением и отключением ВГ, способный отслеживать состояние как генератора так и сети и управлять двумя выключателями, предпусковой подготовкой и расхолаживанием, защиты по механическим (разнос, давление и температура смазочного масла, температура охлаждающей жидкости) и электрическим (перегрузка. короткое замыкание, отклонение напряжения и частоты) параметрам, с функцией пополнения расходного танка, при необходимости с удаленным мониторингом.
Прочие требования:
Наличие автоматических выключателей сети и генератора обязательно. Управление допускается сделать и на контакторах, но в этом случае автоматические выключатели в ручном исполнении должны быть обязательно - контактор не является аппаратом защиты и при отключении им тока КЗ может просто свариться. Защита от токов КЗ средствами контроллера также неэффективна, поскольку первичным датчиком тока является трансформатор тока, который при трёх- и более кратных перегрузках входит в режим насыщения и просто неспособен выдать вторичный ток, соответствующий первичному, а токи КЗ превышают номинальные токи как минимум 3-5 раз.
Наличие системы подогрева и автоматической докачки топлива также обязательно, поскольку агрегат должен находиться в постоянной готовности к пуску.

3. Параллельная работа с сетью, один генератор

[+] 3.1. Общие сведения

Важно понимать то, что ТУ на присоединение с параллельной работой, если оно вообще выдаётся, то выдаётся, как правило, без разрешения экспорта в сеть - в противном случае должен вестись двунаправленный коммерческий учёт электроэнергии и сетевая компания обязана Вам заплатить за экспортированную Вами энергию, чего естественно делать она не желает. Поэтому сетевые компании требуют предусматривать защиту от экспорта, которая немедленно отключит Ваш генератор от сети как только начнётся экспорт. В подавляющем большинстве случаев, в России это 100% случаев, Ваша станция с генератором для сетевой компании является всё тем же потребителем, просто за счёт генератора Вы уменьшаете потребление из сети и меньше платите сетевой компании за электроэнергию, а сэкономленными деньгами Вы оплачиваете эксплуатацию Вашего генератора, рентабельность, как правило, отрицательная. Наличие собственных генерирующих мощностей может оказаться рентабельным только в том случае, когда Ваши генераторы будут приносить ещё какую-то пользу, кроме электроэнергии. Например, это может быть система утилизации тепла, установленная на генератор и обеспечивающая отопление Ваших помещений (в этом случае не нужна отдельная котельная). Или, в случае когда питающая сеть нестабильна, а Ваш объект критичен к качеству электроэнергии (например от нестабильности напряжения страдает автоматика котельной) - наличие утилизатора на двигателе Вашего генератора может решить эту проблему.

Режим характерен тем, что одновременное включение генераторного и сетевого выключателей/контакторов возможно и не блокируется. В этом случае управление выключателями выполняется только с контроллера и электрические и механические блокировки выполнять не требуется.
Требования к оснащению генераторного агрегата:

• наличие управляемого регулятора частоты вращения для поддержания номинальной частоты, желательно чтобы регулятор оборотов имел статизм по частоте;
• наличие управляемого регулятора напряжения для поддержания номинального напряжения, обязательно наличие статизма по напряжению (в крайнем случае можно обойтись и без управления напряжением, но это только при условии стабильности напряжения в сети, в этом случае особо тщательно нужно подойти к настройке статизма);
• Наличие в контроллере возможности управления напряжением генератора, не все контроллеры в состоянии это выполнять;
• Для некоторых режимов потребуется измерение мощности сети, соответственно необходимы трансформаторы тока на сетевой стороне. Некоторые контроллеры генератора имеют такую встроенную возможность (дополнительные входы для подключения трансформаторов тока сети), в остальных случаях потребуется измерительный преобразователь мощности;
• наличие комплекса защит от исчезновения сети;
• вторая степень автоматизации.

Очень важно понимать, что после включения генератора в параллель с сетью, необходимо задать генератору соответствующий режим работы и мощность. Всё это выполняет контроллер, иногда при участии оператора. Если после включения не осуществлять управление генератором длительное время - последствия такой работы плохо предсказуемы.

[+] 3.2. Особенности регулирования мощности генераторов

• Во-первых, генератор не может работать при нулевой нагрузке. Физически может, но это опасный режим поскольку колебания нагрузки могут вызвать уход генератора в двигательный режим и, как следствие, аварийное отключение генератора по защите от обратной мощности. Кроме того, производители газопоршневых и газотурбинных генераторов запрещают работу на нагрузках менее 20-25%, поскольку такая работа приводит к детонации смеси. Во многих агрегатах предусмотрен счётчик времени работы агрегата на малых нагрузках, и при его превышении определенной величины может сниматься гарантия. И, в-третьих, если агрегат оборудован системой утилизации тепла, то теплоотдача агрегата на малых нагрузках ничтожно мала и работа в таком режиме становится совершенно нерентабельна (повышенный износ из-за детонации, риск потерять гарантию, а ни тепловой ни электрической энергии не производится).
• Номинальная мощность некоторых агрегатов может не быть постоянной и меняться во времени в зависимости от внешних факторов: состав и качество топливной смеси, температура и влажность окружающего воздуха, температура охлаждающей жидкости на входе в систему охлаждения, атмосферное давление и т.п. В некоторых САУ агрегатов коэффициент снижения номинальной мощности (Derating) непрерывно вычисляется специальным контроллером и передаётся в основной управляющий генерацией контроллер, либо для индикации персоналу. Например, такое влияние хорошо заметно у газопоршневых и газотурбинных агрегатов, работающих на попутном газе: постоянно меняется состав газа, кроме того в зимний период температура охл.жидкости и окружающего воздуха ниже чем в летний, а значит зимой агрегат охлаждается лучше. Также, номинальная мощность газовой турбины, установленной в горном районе на высоте 1000 метров и выше от уровня моря, будет ниже чем если бы эта турбина была установлена на уровне моря.
• сеть, обычно, является более жёстким источником электроэнергии, чем генератор. Существует такое понятие как "сеть бесконечной мощности" - бесконечна эта мощность конечно же по отношению к мощности генератора и как правило только в переходных процессах, в абсолютных величинах конечно же сетевой ввод имеет свою номинальную мощность. При параллельной работе генератора с сетью бесконечной мощности, частота на шинах и частота генератора всегда равны частоте сети, в России это 50 Гц, никаким способом изменить частоту на шинах невозможно. Сеть является абсолютно астатичным источником энергии (статизм равен нулю). Это значит что при изменениях нагрузки в первую очередь будет меняться величина импорта/экспорта сети, поскольку автоматике требуется время для того чтобы привести генератор к новой уставке мощности генерирования, чтобы сохранить заданный импорт/экспорт мощности. У этого есть как положительная так и отрицательная сторона. Плюс заключается в том что можно не опасаться "завалить" генератор пуском мощного потребителя, например насоса - пусковые токи возьмёт на себя сеть, а уже по окончании пуска автоматика выправит генерирование и вернёт импорт/экспорт мощности к заданному. При условии конечно что мощности сетевого ввода достаточно для таких пусковых токов. Минус заключается в том, что при таких переходных процессах (включение/отключение относительно большой нагрузки) возможны значительные отклонения импорта/экспорта мощности сети от заданного, и, например, смена импорта на экспорт может привести к защитному отключению сетевого ввода, а последующее повторное включение отключившейся нагрузки при отключенном вводе сети черевато "заваливанием" генератора, который не выдержит пусковых токов - сеть ему уже не помогает, она отключена.

Эти особенности нужно учитывать, выбирая тип агрегата и его мощность и рассчитывая его систему охлаждения и утилизации, а также просчитывая возможные переходные режимы и их аварийные последствия.

[+] 3.3. Фиксированная мощность генератора

Общепринятое название режима - Fixed Power (фиксированная мощность генератора).
Контроллер управляет генератором таким образом, чтобы генератор выдавал заданную оператором фиксированную активную и реактивную мощность. Нагрузка на шинах при этом может меняться, управлять ею невозможно. Баланс мощностей будет таков, что мощность, выдаваемая генератором, будет питать нагрузку и, если нагрузка превышает мощность генерации то дефицит мощности будет покрываться за счет потребления из сети, а если нагрузка меньше генерируемой мощности то избыток генерируемой мощности будет отдаваться в сеть.

Например:
3.3.1. Генератор 100 кВт, генерирует 80 кВт при cosФ=0,8 (реактивная мощность составляет 60 кВАр). Нагрузка равна 200 кВт при cosФ=0,95 (реактивная нагрузка равна 62 кВАр): импортируемая из сети мощность (потребление) составляет 200-80=120 кВт и 62-60=2 кВАр (сетевой cosФ=0,99986, то есть практически 1). Пример демонстрирует такую настройку мощности генератора, при которой мощность сети только активная, реактивной нет - это бывает важно для некоторых сетей. Управление реактивной мощностью генератора позволяет снизить полный ток, потребляемый из сети. Напомним, что реактивная мощность не создаёт момент на валу генератора и, следовательно, не расходует топливо, следовательно перераспределение всей реактивной нагрузки на генератор снизит ток сети и не удорожает генерирование, поскольку расход топлива при этом не меняется. В других случаях можно наоборот задать cosФ генератора равным 1 и тогда вся реактивная нагрузка будет импортироваться из сети, а ток генератора и нагрузка на его систему возбуждения снизится, но опять же на расходе топлива это никак не скажется. При этом полный ток сети возрастёт, что может вызвать перегрузку сетевого ввода и его отключение защитой.
3.3.2. Генератор 100 кВт, генерирует 80 кВт при cosФ=0,8 (реактивная мощность составляет 60 кВАр). Нагрузка равна 50 кВт при cosФ=0,95 (реактивная нагрузка равна 15,5 кВАр): Мощность сети составляет 50-80=-30 кВт (30 кВт экспортируется в сеть) и 15,5-60=-44,5 кВАр (сетевой cosФ=0,56). Пример демонстрирует такую настройку мощности генератора, при которой генератор экспортирует в сеть 30 кВт активной мощности и 44 кВАр реактивной, что довольно много. Ток сети значительный. Как правило, такой режим недопустим (в ТУ на присоединение к сети указан минимально допустимый cosФ сети, который должна обеспечивать автоматика). Следует повысить cosФ генератора, уменьшив его реактивную мощность - это уменьшит экспорт реактивной мощности в сеть и снизит ток сети.
Пример 3.3.1 демонстрирует импорт активной мощности при хорошем cosФ (генератор не нагружает сеть бесполезными реактивными токами). Пример 3.3.2. демонстрирует экспорт мощности в сеть при низком cosФ.

[+] 3.4. Фиксированная мощность сети

Этот режим еще называют "Фиксированный импорт" или "Фиксированный экспорт" (в зависимости от того, импортируется мощность из сети или экспортируется). Общепринятое название - MPE (Mains Power Export), при этом экспорт может быть положительным или отрицательным, отрицательный экспорт - это импорт.
Контроллер измеряет мощность генератора и сети. Оператор задает требуемый экспорт/импорт мощности сети. Контроллер управляет генератором так, чтобы величина экспорта/импорта мощности через сетевой ввод была равна заданной. Нагрузка на шинах при этом может меняться, мощность генерирования будет меняться так чтобы при колебаниях нагрузки на шинах величина импорта/экспорта оставалась неизменной.

Например:
3.4.1. Генератор 100 кВт, задан импорт мощности 80 кВт при cosФ=0,8 (импорт реактивной мощности должен быть равен 60 кВАр). Нагрузка равна 100 кВт при cosФ=0,95 (реактивная нагрузка равна 31 кВАр): импортируемая из сети мощность (потребление) составляет заданные 80 кВт и 60 кВАр (сетевой cosФ=0,8). Мощность генерирования будет равна 100-80=20 кВт и 31-60=-29 кВАр, cosФ генератора равен 0,34 и он емкостной, поскольку генератор потребляет реактивную мощность, импортируемую из сети (некорректный режим для системы возбуждения генератора). Если нагрузка на шинах увеличится, то контроллер увеличит мощность генерирования на ту же величину для сохранения неизменного импорта.

Регулирование мощности генератора, естественно, возможно в пределах его мощности от 0 до номинальной. Как правило, для генератора задаётся его минимальная нагрузка (5...20% от номинальной мощности) и диапазон регулирования, таким образом, сужается. То есть если задание импорта и нагрузка на шинах таковы, что мощность генератора должна быть отрицательной для обеспечения импорта, то контроллер обеспечит работу генератора на минимальной мощности, а импорт будет определяться исходя из величины нагрузки и не будет заданным, возможен даже экспорт мощности
Например:
3.4.2 Если нагрузка равна нулю, то экспорт мощности в сеть будет равен минимально допустимой нагрузке генератора.
Ещё один пример для ситуации, когда мощности генератора недостаточно для обеспечения экспорта или даже импорта:
3.4.3. Генератор 100 кВт, нагрузка 400 кВт, заданный импорт мощности 100 кВт. Фактически генератор выйдет на номинальную мощность 100 кВт, а ещё 300 кВт дефицита будут восполняться за счёт импорта, то есть импорт мощности составит 300 кВт. По мере уменьшения нагрузки будет уменьшаться и импорт. Когда нагрузка снизится скажем до 90 кВт - только тогда мощность генерирования начнёт снижаться.

[+] 3.5. Нулевой экспорт в сеть

Это частный случай предыдущего режима MPE, при котором из сети ничего не потребляется и в сеть ничего не отдаётся. Так и называется - "экспорт 0". Режим выгоден для предприятий с собственными генерирующими мощностями. Пусковые токи производственных механизмов съедаются сетью, плата за электроэнергию сетевой компании минимальна.
Но есть и недостаток режима. При нулевом экспорте защиты от исчезновения сети неэффективны, т.к. они начинают эффективно работать при перетоке мощности не меньше 15-20% от номинала генерирующей мощности, и возможен уход в режим экспорта в сеть при резком сбросе нагрузки, что приведёт к отключению сети на стороне сетевой компании. Поэтому в реальности режим используется только в качестве промежуточного при переходе от автономной работы к параллельной и обратно, а в автоматике задаётся минимальная величина импорта/экспорта, отличная от нуля. Даже в установившемся режиме должен присутствовать небольшой импорт или экспорт. К примеру, если в контроллере задать экспорт равным нулю, то фактически будет импорт не меньше заданного другой настройкой.

[+] 3.6. Снятие пиковых нагрузок

Общепринятое название режима - Peak Shaving (срезание пиков).
Контроллер измеряет мощность генератора и сети. Оператор задаёт величину импорта мощности из сети. Контроллер управляет мощностью генерирования так, чтобы нагрузка генератора была минимальной (равной заданному минимуму для генератора), а дефицит мощности восполнялся импортом из сети, но при этом импорт не должен превышать заданную величину. Если нагрузка начинает расти и превышает заданный импорт, то контроллер увеличивает мощность генерирования до тех пор, пока импорт не перестанет превышать заданный предел. При дальнейшем увеличении нагрузки, когда мощность генерирования достигнет максимальной, дефицит мощности будет покрываться за счет увеличения импорта из сети, то есть импорт снова начнёт расти (поскольку компенсировать его уже нечем, мощность генерирования исчерпана).
То есть вся мощность потребляется по возможности из сети, до тех пор пока она не превысит заданный предел для сетевого ввода.
Режим эффективен при работе в автоматическом режиме (когда разрешён автоматический запуск/остановка генератора). В этом случае, пока нагрузка мала, генератор вообще остановлен, по мере роста нагрузки увеличивается импорт из сети, и в тот момент когда импорт становится равным заданному пределу - происходит автоматический запуск генератора и после его включения генератор берёт на себя столько нагрузки, чтобы импорт не превышал заданный предел. Когда нагрузка снижается и генератор длительное время работает на холостом ходу, происходит его автоматическая остановка, после чего генератор находится в режиме ожидания нового всплеска нагрузки.Таким образом, генератор "срезает" пиковые нагрузки на сеть - отсюда и название режима: Peak Shaving.

[+] 3.7. Перевод нагрузки

Общепринятое название режима - LTO (Load Take Over).
Режим полностью противоположен предыдущему Peak Shaving.
Контроллер измеряет мощность генератора и сети. Контроллер управляет мощностью генерирования так, чтобы импорт из сети был равен нулю, а дефицит мощности восполнялся генератором. Если нагрузка начинает расти и превышает номинальную мощность генератора, то контроллер оставляет генератор работающим на номинальной мощности, а дефицит мощности покрывается за счет импорта из сети. При дальнейшем увеличении нагрузки, растёт и импорт мощности из сети.
Режим эффективен при работе в полуавтоматическом режиме (когда автоматический запуск/остановка генератора не разрешены) в качестве промежуточного, когда оператору необходимо время для принятия решения: работать автономно от сети или параллельно с сетью. Например, когда нужно отключить сетевой ввод, но не изменять уставку мощности на которой работал генератор, можно перевести контроллер из того режима в котором он работал в этот режим LTO - произойдет снижение импорта/экспорта мощности до нуля, после чего выключатель сети можно безопасно отключить. После остановки можно вернуть контроллер в первоначальный режим - при следующем запуске генератор автоматически выйдет на требуемый режим. Длительная работа в этом режиме LTО не рекомендуется по той причине, что защиты от исчезновения сети при нулевом перетоке мощности не функционируют.

[+] 4. Автономная работа, несколько генераторов

Общепринятое название режима - Island Load Sharing.

Режим характерен для автономных электростанций с переменной нагрузкой, когда в зависимости от режима эксплуатации объекта требуется разная мощность, а питание от промышленной сети затруднено или нерентабельно. Например автономные электростанции буровых комплексов в труднодоступных районах.
В составе электростанции могут применяться агрегаты разной мощности, разных производителей и даже разных типов. Например, несколько газопоршневых агрегатов, работающих на попутном газе, и один дизельный двигатель.

Энергоцентр месторождения Мусюршор, Усинск.

При таком сочетании источников, дизельный генератор необходим для первого запуска электростанции после обесточивания, поскольку он не имеет ограничений по нагрузочной способности. Первым запускается дизельный генератор и включается на шины, принимая на себя всю имеющуюся нагрузку. Затем по одному запускаются газопоршневые генераторы, входят в параллель с дизельным генератором, и когда мощность только газопоршневых генераторов станет достаточной, дизельный генератор отключается и останавливается.
Требования к оснащению генераторного агрегата:

• наличие управляемого регулятора частоты вращения для поддержания номинальной частоты, крайне желательно чтобы регулятор оборотов имел статизм по частоте;
• наличие регулятора напряжения с жестко заданным статизмом, применение управляемого регулятора напряжения необязательно (может потребоваться на отдельных объектах из-за наличия специфичной нагрузки);
• вторая или третья степень автоматизации.

Задача, решаемая такой электростанцией, проста: устойчивое распределение нагрузки между генераторами, синхронизация и разгрузка каждого генератора, при необходимости - автоматический запуск и остановка генераторов при росте/снижении нагрузки на шинах.

Теоретически, количество параллельно работающих генераторов неограничено, существуют автономные электростанции где количество генераторов превышает 100, однако практический опыт говорит о том что если генераторов больше 10 - могут возникнуть сложности с настройкой регуляторов, поэтому производители автоматики ограничивают это количество в своей автоматике до некоторого числа, а работа бОльшего количества генераторов чем это ограничение, выполняется специальными средствами. Кроме того, малые электростанции где количество генераторов превышает 10 - достаточно редкий случай в силу низкой рентабельности и сложности в обслуживании таких объектов.
Распределение активной нагрузки между генераторами может выполняться вручную оператором либо автоматически.
Ручное распределение нагрузки в обязательном порядке требует наличия положительного статизма по частоте каждого генератора, причем статизм должен быть одинаков для всех генераторов независимо от из мощности. Принцип заключается в том, что параллельно работающие генераторы устойчиво распределяют постоянную активную нагрузку между собой без постороннего вмешательства - за счёт статизма. Однако незначительные различия параметров агрегатов (топливо разного качества, разный износ узлов, прочие особенности) могут приводить к тому что после переходных процессов (изменения нагрузки) пропорциональное распределение нагрузки может "перекашиваться", один из генераторов берёт на себя чуть больше нагрузки, другой соответственно чуть меньше, и с каждым изменением нагрузки эта разница возрастает. Для коррекции нагрузки необходимо воздействие на регуляторы оборотов. Чтобы увеличит нагрузку генератора нужно увеличить подачу топлива (команда "обороты больше"), чтобы снизить нагрузку - соответственно уменьшить подачу топлива (команда "обороты меньше"). Наблюдая за нагрузкой генераторов, оператор периодически корректирует распределение нагрузки, выравнивая обнаружившийся перекос. Учитывая что не существует двух абсолютно идентичных по параметрам агрегатов (даже одного производителя, типа, мощности и места сборки), эту коррекцию приходится выполнять непрерывно, поскольку нагрузка также непрерывно колеблется.
Автоматическое распределение нагрузки выполняется ровно по тому же принципу что и ручное, только команды "больше" и "меньше" подаёт не оператор, а контроллер каждого агрегата, непрерывно определяя отклонение от пропорционального распределения и компенсируя его. Если регуляторы оборотов у двигателей электронные (с цифровым или аналоговым управлением) то команды управления оборотами подаются в виде непрерывного сигнала, и для устойчивого распределения статизм не является обязательным. В случае с механическими регуляторами воздействие на регулятор производится периодическими дискретными сигналами (аналогично нажатию кнопок оператором), поэтому статизм строго необходим. Но даже для агрегатов с аналоговым или цифровым управлением наличие статизма окажется большим плюсом, потому что статизм позволит удержать распределение нагрузки и при отказе автоматики, например когда перестанут поступать цифровые команды по управлению оборотами. Отсутствие статизма при дискретном управлении или при отказе автоматики приведёт к неконтролируемому перетоку мощности (раскачке) между генераторами с возможными перегрузками, переходом в двигательный режим и отключениями. Поэтому на ряде объектов статизм является обязательным (там где предусматривается работа электростанции в ручном режиме и без участия автоматики).

Как правило, нагрузка распределяется между генераторами пропорционально их мощности. Например, два генератора по 100 кВт, общая нагрузка на шинах 100 кВт - каждый генератор возьмет на себя по 50 кВт. Если генераторы разной мощности (например 100 и 200 кВт) а общая нагрузка 150 кВт, то каждый генератор возьмет на себя по 50% нагрузки, то есть первый возьмет 50 кВт (половина от своего номинала - 100 кВт) а второй - 100 кВт (тоже половина от своего номинала - 200 кВт). Это симметричное или пропорциональное распределение нагрузки.
Возможно и асимметричное распределение нагрузки. Его можно добиться вручную или специальными функциями автоматики. Оно эффективно в электростанциях с утилизацией тепла, поскольку эффективность утилизации тем больше чем больше нагрузка генератора. При асимметричном распределении все кроме одного работающие генераторы нагружаются до своей номинальной мощности и их утилизаторы работают на максимальном КПД, а оставшийся один генератор берет на себя столько нагрузки сколько осталось и его утилизатор не используется или используется не полностью

Всё сказанное про распределение активной мощности справедливо и для реактивной, управление которой производится воздействием не на частоту вращения агрегата, а на возбуждение генератора (через регулятор напряжения). В подавляющем большинстве случаев специального управления распределением реактивной нагрузки не требуется и поэтому оно выполняется на статизмах без внешнего регулирования. В силу того что переходные процессы по реактивной нагрузке происходят намного быстрее чем по активной, наличие статизма по напряжению всегда является обязательным, поэтому и нет необходимости повсеместно применять регулирование реактивной нагрузки сторонними (по отношению к генераторам) средствами - это лишний контур управления, требующий настройки и потенциально подверженный отказам, поэтому по возможности его следует исключить, что и делается на большинстве автономных электростанций.

Описаны основные режимы работы генераторных агрегатов и принципы управления электростанциями на их базе. Существуют и более сложные режимы работы и электростанции с нетривиальной схемой цепи главного тока. Управление генерированием в этих случаев является комбинацией всех перечисленных режимов и задача управления сводится к выбору корректного режима для каждого генератора в каждый момент времени.
Это, например, такие режимы как:

• резервирование сети несколькими генераторами;
• АВР с применением генераторов;
• групповая синхронизация генераторов;
• комплексное управление электростанциями разной сложности.

[Jackson]

Синхронизация генераторов при включении на параллельную работу

Синхронизация генератора к шинам может быть выполнена одним из следующих методов (по возрастанию сложности реализации):

• самосинхронизация
• грубая синхронизация
• точная динамическая синхронизация
• точная статическая синхронизация

[+] самосинхронизация

1. Самосинхронизация
Раскрученный невозбужденный генератор (т.е. крутится как болванка) готова к самосинхронизации. Для этого просто включают автомат. Невозбужденный генератор естественно становится двигателем, но поскольку генератор уже подкручивается двигателем то нагрузки он не создаёт. Затем подают возбуждение, генератор возбуждается и становится собственно генератором.
Всё.

[+] грубая синхронизация

2. Грубая синхронизация
На раскрученный генератор подают возбуждение, генератор выходит на номинальное напряжение и частоту. Включают автомат генератора ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО через реактор большой мощности (это по сути катушка индуктивности огромная, рассчитана на большой ток). Бросок тока, который возник вследствие несинхронного включения гасит реактор (превращает в энергию магнитного поля), т.е. бросок тока всё равно есть, но за счет реактора ток не нарастает скачком, а пока ток нарастает, машина входит в синхронизм и к концу ток равен нулю). Когда ток падает до нуля (или почти до нуля), либо просто через некоторое время (секунд 5-10) включают второй автомат генератора, который шунтирует реактор и первый автомат. Всё, машина в параллели. Реактор отключают т.к. он больше не нужен, чтобы не держать под напряжением и током. Реакторы рассчитываются на работу только во время синхронизации что позволяет уменьшить их размер. Способ не очень хороший и реакторы имеют свойство всё-таки сгорать. К тому же такое включение всё-таки даёт бросок тока (хоть и небольшой), что может быть критично для некоторых систем.

[+] точная синхронизация

3. Точная синхронизация
На раскрученном генераторе включают возбуждение, генератор выходит на номинал. Напряжение генератора представляет собой синусоиду с частотой 50 Гц, напряжение сети тоже. Замеряют действующие значения напряжений генератора и сети, регулируют генератор чтобы напряжение отличалось от сети не более чем на примерно 5% (где как) и чтоб напряжение генератора было больше напряжения сети.
Дальше, синусоида напряжения генератора точно следует за оборотами генератора (пока автомат не включен у асинхронных генераторов и всегда у синхронных). Соответственно, управляя частотой вращения двигателя и замеряя мгновенные значения напряжений генератора и сети, управляют частотой вращения генератора так, чтобы напряжения генератора и сети точно совпали по фазе, и в момент совпадения дают команду на включение автомата генератора, при этом учитывают быстродействие автомата, т.е. команду выдают с опережением по времени на это время. Разность частот генератора и сети не должна превышать 0,3 Гц.
Тут способов опять же несколько. Самый простой - по напряжению биения. Т.е. вычисляется (или определяется) векторная разность мгновенных напряжений генератора и сети (Uб=Uг-Uс) одновременно по всем фазам (минимум по двум - можно и по одной, но проверка по двум фазам защищает от включения когда генератор "вращается не в ту сторону", такое бывает если например провода перепутали в силовой или измерительной цепях). Соответственно когда это напряжение биения равно или близко к нулю (не более 5% от номинала) - это момент синхронизма, в который выдается команда на включение. Самый простой способ т.к. реализуется вручную посредством трёх лампочек, включенных между сходными фазами генератора и сети

Более умные синхронизаторы за счёт очень быстрых АЦП работают сразу с мгновенными значениями, рисуют в своей голове синусоиды и в момент совпадения дают команду на включения.
Точная синхронизация может быть статическая или динамическая.
а) динамическая синхронизация работает по вышеприведенному принципу, при этом частота генератора всегда выше частоты сети на 0,1...0,3 Гц, т.е. генератор "набегает" на сеть. При таком включении генератор в момент замыкания автомата создаст небольшой бросок тока, взяв на себя часть нагрузки электростанции, поэтому такой способ актуален для относительно небольших электростанций. Кроме того, этот способ еще и самый быстрый, потому что не нужно поддерживать частоту и напряжение генератора точно равными частоте и напряжению сети, а нужно лишь попасть в диапазон частот, убедиться что разница напряжений не слишком велика, и ждать совпадения фаз.
б) статическая синхронизация отличается от динамической тем, что частота и напряжение генератора в момент включения должны быть точно равны частоте и напряжению сети, т.е. синхронизатор управляет частотой генератора так, чтобы синусоида напряжения генератора чётко совпала с синусоидой напряжения сети: две синусоиды "приклеиваются" друг к другу, и после того как фазы не разбегаются в течение некоторого времени "2-10 секунд" дается команда на включение. Такое включение не дает никакого броска тока на электростанцию, станция вообще ничего не почувствует, но требует очень точной подгонки частоты, что занимает больше времени и предъявляет требования к точности регуляторов. При нестабильных сетях такой способ может занять довольно много времени. Используется на крупных агрегатах, а также в сетях и на генераторах, чувствительных к броскам токов и нагрузки.

Важно понимать, что процесс синхронизации заканчивается включением автоматического выключателя. После включения выключателя генератором необходимо управлять для достижения требуемого режима его работы (распределение мощности с другими генераторами, параллельная работа с сетью). Поэтому при постановке задачи "синхронизировать генератор" нужно сразу же задумываться и о том, что делать после того как автомат генератора будет включён - то есть определить и задать режим работы генератора в сети. Зачастую, этот момент опускается.

[Jackson]

Вопрос: Можно ли включить на параллельную работу генераторы с автоматикой разных брендов?

Ответ: Нужно смотреть внимательнее, что именно за контроллеры на одной и на другой машине. И еще важно, работа идет параллельно с сетью или нет.

В общем случае - такие варианты:

1. Если работа автономная (без сети), то на обоих агрегатах настроить одинаковый статизм, но это потребует постоянного присутствия вахты - следить за распределением мощности и периодически подправлять вручную. Чем больше генераторов - тем это труднее (следить и подправлять),
2. Если работа автономная (без сети), то активную мощность можно поделить по аналоговой линии. Например, у контроллеров DEIF должен быть такой выход (опция G3 в контроллере AGC 3/4 или блок IOM-230 к контроллеру AGC-2xx, если опции G3 нет то её можно открыть), а например у контроллеров CoMAP надо поставить их родной конвертер "NT-Converter". Эти блоки связать между собой аналоговой линией и во всех включить деление активной мощностью по аналоговой линии. Так Вы поделите активную мощность. Реактивную мощность делить только на статизмах (если нет каких-то экзотических нелинейных потребителей то нормально будет делиться). Само собой, установленные сейчас контроллеры должны уметь управлять частотой.
3. Если параллельная работа с сетью, но никакой power management не нужен, то можно все агрегаты включить в режим фиксированной мощности. Проблема только в том что уставки этой фиксированной мощности нужно задавать каждой машине вручную и следить за ними чтобы не допустить экспорта. Чем больше генераторов - тем сложнее.
4. Если параллельная работа с сетью и/или Вам нужен ещё и power management (автоматический пуск/стоп резерва, чередование по моторесурсу и т.д.) то вариант только один - везде нужны контроллеры одного бренда. Соотв-но потребуется менять всю автоматику на какой-то один бренд. Нередко контроллеры одного бренда устанавливаются не вместо, а поверх другого уже установленного - чтобы не нарушать технологию машины или чтобы не слетала гарантия. Если работа с сетью то понадобится ещё и какой-то сетевой контроллер, так что дооборудование неизбежно.
5. Если один из генераторов - Cummins - то тут всё может быть очень плохо вплоть до отказа это этой затеи (автоматика Cummins как правило недружелюбна по отношению к автоматике других брендов).

Это в общем. А в частности - нужно детализировать эту задачу и к в каждом случае подходить к решению индивидуально.

[Jackson]

Вопрос: Можно ли включить на параллельную работу генераторы разного типа и(или) мощности?

Ответ: В общем случае - да, можно, если будет решен вопрос совместного управления ими (см.предыдущий ответ).

[+] Один из личных примеров

Электростанция парка аттракционов "Диво Остров" в СПб, там электростанция состоит из:

• один ДГ Cummins мощностью 1200 кВт с локальной автоматикой на базе CoMAP
• два ДГ Volvo Penta по 500 кВт с цифровой автоматикой EMS2
• один ДГ MAN 450 кВт производства начала 80-х годов с аналогово-релейной автоматикой
• один ДГ (бренд уже не вспомню) 500 кВт с аналоговыми современными регуляторами оборотов и напряжения

Прекрасно работают в параллель и друг с другом и с сетью в любых сочетаниях, при том что на одном из агрегатов регулятор напряжения совершенно неуправляем (его не меняли на новый), но в нём есть статизм.

Однако, могут возникнуть проблемы, связанные с разной конструкцией (или просто различного качества намотки) обмоток разнотипных генераторов. Было несколько случаев когда в 4-проводной сети при вводе генераторов в параллель наблюдался очень большой ток нейтрали даже при нулевой нагрузке. Анализ показал что этот ток вызван различным шагом обмоток генераторов и худшим качеством "железа" в одном из генераторов (его напряжение было неидеально по форме синусоиды). Ток нейтрали превышал номинальный, оба генератора перегревались. При этом друг без друга они прекрасно работали, в том числе и в параллель со своими однотипными собратьями. Это редкий случай "несовместимости" генераторов, однако пару раз он всё-таки встретился.

[Jackson]

Включение генератора на шины через повышающий или понижающий трансформатор - вполне возможно. Это реализовано например в средствах автоматики ф.DEIF и описано здесь.

[Jackson]

Вопрос: Из-за низкого коэффициента мощности выходит из строя система возбуждения генератора (сгорает регулятор). Как защититься от этого?

Ответ:
На ток возбуждения напрямую влияет величина реактивной мощности, следовательно, при номинальной мощности генератора 1000 кВт (величина взята для примера) и при номинальном коэф.мощности 0,8 (величина должна быть взята с заводской шильды генератора, пока предполагаю что она равна 0,8), номинальная реактивная мощность генератора составляет 1000 кВт / 0,8 * 0,6 = 750 кВАр - это величина реактивной мощности, на компенсацию которой рассчитан и сам генератор и его регулятор напряжения в длительном режиме. Например, в контроллерах AGC ф.DEIF в стандартной комплектации отсутствует в явном виде защита по уровню cos(Ф), но имеется защита от перегрузки реактивной мощностью (защита от перевозбуждения) - это параметр 1530. Можно использовать её (включить), задав там такую уставку, больше которой ток возбуждения уже превысит номинальный. В этом параметре уставка задаётся в процентах от номинальной АКТИВНОЙ мощности, но с размерностью кВАр. То есть чтобы задать уставку 750 кВАр при номинальной мощности генератора 1000 кВт нужно задать в параметре 1530 значение 75%.

Контроллеры и средства измерения измеряют два параметра:

• cos(Ф) - это коэффициент мощности, измеренный по первой гармонике;
• Power Factor (PF) - это коэффициент мощности с учётом всех гармоник.

Поэтому, рекомендуется просмотреть измерения генератора при его работе, найти величины Cos(Ф) и PF и сравнить их, если они заметно различаются - значит действительно нагрузка даёт большой уровень гармонических искажений. В этом случае, например в контроллерах ф DEIF можно открыть программную опцию C2, которая позволит защищаться от высших гармоник и точно отслеживать актуальный коэф.мощности во всём диапазоне нагрузок, по нему есть и защиты в этой опции.

[+] Диагностика перегрузки системы возбуждения

В целях диагностики можно установить амперметр постоянного тока в цепь возбуждения и контролировать ток возбуждения. Если заниматься проблемой ещё серьёзнее, то можно вместо амперметра установить в эту цепь измерительный шунт, подключить его выход к измерительному преобразователю, сигнал с которого подать на аналоговый вход контроллера управления - тогда этот контроллер будет измерять фактический ток возбуждения и сможет выполнить по нему защиту.
Вместо преобразователя можно применить реле напряжения с чувствительным входом, которое можно настроить на срабатывание по напряжению с выхода шунта, соответствующем току перегрузки, но в этом случае Вы не будете контролировать сам ток возбуждения. Если на Вашем объекте имеется система мониторинга электростанции, то измеренный контроллером ток можно опрашивать в этой системе и вести по нему исторический архив для того, чтобы можно было оценить, с какими токами возбуждения в нормальном режиме работают Ваши генераторы.

[Jackson]

- Можно ли посмотреть на солнце в телескоп?
- Да, можно, но только два раза в жизни: один раз правым глазом и второй раз левым.

Весьма распространённый (но малоизвестный по понятным причинам) случай - когда в энергоцентр или к генератору приносят заряженный аккумулятор, ставят на агрегат, запускают агрегат, потом с работающей машины аккумулятор отключают и несут запускать следующий генератор. То есть агрегаты "прикуривают" один за другим. Так вот в момент отключения аккумулятора навешенный зарядный генератор (если он есть) создаёт импульс напряжения от 40 до 180...220 вольт (при номинальном 12 или 24 вольта) - наша головная фирма специально это изучала и присылала отчёт с осциллограммами. Импульс очень быстрый - единицы миллисекунд, обычным прибором и не заметишь. Но эта дрянь раз за разом "поджаривает" всю электронику, которая подключена в ту же цепь питания, а при удачном стечении обстоятельств импульс способен выжечь всю эту электронику разом, случаи такие были. То же самое происходит в автомобилях, любой автодилер Вам скажет что нельзя снимать батарею с работающего двигателя. Жигулям и советским тракторам это не страшно потому что там попросту нет такой электроники, а лампочки этот импульс "съедают" - вот и вошло в привычку у ряда "специалистов" делать так со всеми агрегатами, включая электронные.

И вот, приходят механики и говорят: "мы включили - а оно не работает", и десять инженеров месяцами пытаются найти "хитрый глюк", который запросто устроил один криворукий механик. Стоимость ремонта агрегата прямо пропорциональна стоимости сожженного контроллера плюс восстановление настроек, что тоже бывает непросто и недёшево.

Так что можно ли это делать - да, можно, если Вы готовы потом заняться нетривиальным и зачастую дорогостоящим ремонтом автоматики этого генератора. Как правило, сгорает тот контроллер, в котором встроена защита, и как А.Матросов он спасает контроллер в двигателе (если двигатель цифровой), а стоимость контроллера двигателя и процедура его замены - это операция куда как дороже и "интереснее" чем замена контроллера электростанции.

[Jackson]

Одна из возможных причин - некачественные (но необязательно при этом дешёвые) зарядные и прочие блоки питания. При включении питания (или при отключении нагрузки) они тоже могут выдавать кратковременные импульсы высокого напряжения.