1. Определяющие факторы

Как правило, СИ в отличие от применяемых энергоустановок в большой энергетике имеют:

существенно меньшие моменты инерции вращения масс (с учетом генератора).

упрощенные системы возбуждения. Питание этих систем осуществляется от выводов генератора без устройств, поддерживающих питание возбуждения при глубоких посадках напряжения. Эти системы возбуждения имеют малую кратность форсировки, малые коэффициенты усиления.

Отмеченные выше особенности СИ отрицательно влияют на показатели их устойчивой работы. Как правило, СИ имеют также упрощенные системы регулирования скорости первичного двигателя, что в ряде случаев создает определенные проблемы по обеспечению необходимого качества электрической энергии, трудности по обеспечению параллельной работы между собой и при работе параллельно с энергосистемой.

2. Режимы работы

Различают три характерных режима работы СИ:

работа параллельно с энергосистемой, когда связь эта "сильная", что означает наличие коротких и достаточно мощных линий электропередачи, связывающих СИ с энергосистемой,

работа параллельно с энергосистемой, когда связь эта "слабая", т.е., когда линии электропередачи маломощные или (и) протяженные

работа параллельно с энергосистемой, когда связь эта "слабая", т.е., когда линии электропередачи маломощные или (и) протяженные

В зависимости от этих режимов работы обостряются те или иные проблемы, требующие разнообразного решения. Общими проблемами, требующими решения, являются:

· обеспечение заданного качества электроэнергии (напряжение, частота),

· обеспечение возможности устойчивой работы СИ во всех упомянутых режимах,

· обеспечение динамической устойчивости, возникающей вследствие различных аварийных ситуаций (к.з., отключение линии электропередачи и др.)

· предотвращение развития аварий в режиме, их локализация, обеспечение надежного энергоснабжения потребителей.

3. Системы генерирования

Системы генерирования исследуемых СИ делятся на две большие группы.

Первая: Традиционные синхронные генераторы с бесщеточными или статическими системами возбуждения (рис.1,а).

Для некоторых СИ малой мощности находят применение генераторы на базе асинхронных машин малой мощности, либо синхронных машин с постоянными магнитами. Область их распространения достаточно ограничена

Вторая: Электромашинные вентильные системы, состоящие из электрических машин переменного тока и статических преобразователей частоты, включаемых либо в статорную цепь синхронных машин, либо в роторную - асинхронных машин с фазным ротором. Как те, так и другие системы обеспечивают возможность работы агрегата с переменной частотой вращения при обеспечении неизменного значения выходной частоты генератора. Система с преобразователями в статорной цепи более дорогая, но обеспечивает изменение частоты вращения в широких пределах (100%), система с преобразователями частоты в роторной цепи дешевле, но обеспечивает изменение частоты вращения в узких пределах (до 50%) (рис. 1, б).

4. Работа СИ в энергосистеме при наличии "сильной" связи

Рассмотрим вначале работу СИ с синхронным генератором в данной энергосистеме. Здесь не возникает сложностей по поддержанию частоты, регулированию напряжения, обеспечению параллельной работы СИ. Основная проблема - локализация развития аварии после ликвидации последствий нарушения динамической устойчивости. При к.з., вследствие малого значения постоянной инерции, СИ теряет устойчивость - "выходит из синхронизма", достаточно быстро ускоряется и необходима повторная синхронизация с энергосистемой. Возникает асинхронный ход, биения напряжения, каскадное отключение потребителей

Для решения этой проблемы необходимо применение так называемой длительной, автоматики, фактически переводящей СИ в автономный режим. Она является средством, дающим возможность выделить СИ или электростанцию на их основе на автономную работу со сбалансированной нагрузкой и тем самым сохранить электроснабжение наиболее ответственных потребителей и удержать электростанцию на электрических и тепловых параметрах, близких к нормальным (рис. 2, а).

При выборе делительной автоматики решаются следующие вопросы:

· определение способа предотвращения значительного понижения или повышения частоты сразу после деления сети из-за неравенства генерации СИ и нагрузки в момент деления (возможные решения: соответствующее регулирование мощности СИ во все время, пока идет параллельная работа с энергосистемой, или отключение части неответственной нагрузки);

· определение необходимого быстродействия (недостаточное быстродействие автоматики приведет к нарушению технологического процесса потребителей, а избыточное быстродействие - к случаям ненужного деления);

· определение места деления (с учетом ремонтных режимов и прочего).

Требуемая структура и параметры делительной автоматики определяются в результате расчетов электромеханических и электромагнитных переходных процессов СИ, электрической сети, электроприемников и др. Для СИ мощностью до 5 МВт наряду с делительной автоматикой, а иногда и вместо неё можно использовать подключаемые через тиристорные ключи балластные сопротивления, обеспечивающие торможение агрегата и облегчающие его последующую синхронизацию с сетью (рис. 2, б).

Если в качестве системы генерирования в СИ используется электромашиновентильная система, то проблема асинхронного хода отпадает, ибо агрегат СИ может изменить свою скорость вращения, оставаясь в синхронизме с сетью. Надо помнить, что применение электромашиновентильных систем сопряжено с дополнительными затратами.

5. Работа СИ в энергосистеме при наличии "слабых" связей

В этом случае обостряются проблемы регулирования напряжения и частоты, но основные проблемы, помимо описанной выше в случае "сильной" связи, состоят еще и в том, что необходимо для избежания потери устойчивости ограничивать поток активной мощности по линии электропередачи от генератора в сети и наоборот.

Для случая синхронного генератора применяется специальная автоматика, ограничивающая величину мощности по линии и воздействующая на регулирование турбины (рис.3, а).

В случае электромашиновентильной системы генерирования эта ситуация автоматически действует одновременно на два канала: преобразователи частоты (быстрое регулирования) и канал регулирования скорости турбины (медленное регулирование). Очевидно, что в этом случае ограничение действует более эффективно (рис. 3, б).

6. Работа СИ в автономной энергосистеме

В данном случае все отмеченные выше проблемы оказываются наиболее острыми и требуют решения. К этим проблемам добавляется также часто возникающие проблемы пуска электродвигателей соизмеримой мощности, работа СИ на электроприемники с резко-переменной нагрузкой (прокатные станы и др.) При автономной работе СИ становится особо важной задачей также равномерное распределение нагрузки между различными СИ. Это существенно уменьшает риск нарушения устойчивости при различных возмущениях (к.з., толчках нагрузки и пр.). Иногда такая задача может решаться дежурным персоналом, но если нагрузка меняется достаточно быстро, то распределение нагрузки между СИ вручную затруднительно и неэффективно, и требуется соответствующая автоматика на электростанции. Автоматическое регулирование напряжения должно удовлетворять определенным требованиям в части возможностей форсирования тока возбуждения при переходных процессах, предотвращения самораскачивания (которое иногда возникает и делает невозможной работу и генераторов, и электроприемников) и пр.

Эффективность систем регулирования и параметры настройки этих систем решающим образом зависят от параметров СИ.

При автономном питании промышленного потребителя от СИ, т.е. от источника небольшой мощности (сравнительно с энергосистемой) приходится заботиться о пусках крупных электродвигателей. Возможности их прямого пуска, т.е. пуска непосредственным включением в сеть, определяются соотношением между ' номинальными мощностями пускаемого электродвигателя и СИ. Из-за необходимости прямых пусков крупных электродвигателей может потребоваться увеличение установленной мощности СИ. Возможен и альтернативный вариант - пуск электродвигателей через преобразователь частоты и напряжения. При проектировании автономной электростанции для питания промышленной нагрузки приходится рассматривать ряд анормальных режимов, т.е. режимов, возникающих аварийно и существующих, пока не будет ликвидирована их причина или не будут приняты другие меры. Кроме обычных анормальных режимов, ликвидируемых соответствующими защитами (перегрузки оборудования, однофазные замыкания в сети с изолированной нейтралью и т.п.), при электроснабжении промышленных предприятий приходится учитывать и другие анормальные режимы. Они являются более сложными в отношении процессов в системе электроснабжения и в отношении мер, которые должны быть приняты. К таким режимам, которые обязательно должны быть заранее проанализированы, относятся следующие.

1) Автоматика введения резервного питания (АВР).

2) Скорость восстановления напряжения после отключения К.З. Это специфическая задача, которая возникает тогда, когда на маломощном СИ применяется упрощенная схема питания системы возбуждения. Во время близкого К.З. такая система возбуждения остается без питания, поэтому провал напряжения по КЗ получается более глубоким, и после КЗ напряжение восстанавливается значительно медленнее, чем могло бы быть. В худших случаях после отключения КЗ напряжения вообще не может восстановиться до нормального уровня.

3) Автоматическое снижение нагрузки СИ в аварийных условиях. Отключение части наименее ответственных электроприемников позволяет снизить токи, повысить устойчивость СИ и обеспечить бесперебойную работу ответственных электроприемников. Задача состоит в том, чтобы в каждых конкретных условиях определить, какое количество электроприемников должно быть отключено и за какое время.

Воздействие резко-переменной нагрузки, мощность которой соизмерима с мощностью СИ, существенно в следующих отношениях, особенно при автономной работе СИ. Резко-переменная нагрузка создает колебания частоты и скорости вращения СИ. Резко-переменная нагрузка создает колебания момента на валу СИ, которые могут быть опасными в отношении прочности валопровода.

Колебания момента и скорости вращения СИ при резко-переменной нагрузке должны быть изучены, исходя из свойств этой нагрузки, и сопоставлены с допустимыми значениями, задаваемыми заводом-изготовителем СИ. По данным такого анализа принимается решение о том, какой дополнительный запас по мощности должна иметь СИ, чтобы колебания были не опасными.

Механическая, электрическая и термическая прочность СИ должны быть таковыми, чтобы они, так же как и обычные генераторы, могли выдерживать трехфазное КЗ на выводах. Дополнительно генераторы должны быть проверены на допустимость несинхронных включений в энергосистему.

Решение перечисленных задач в случае синхронных генераторов в составе СИ решается применением быстродействующих систем регулирования скорости (рис. 4, а), быстродействующих систем возбуждения, машин со специальными параметрами (уменьшенные значения реактанса % , постоянная времени ). Для пуска крупных двигателей в отдельных случаях применяются специальные пусковые устройства, обеспечивающие регулирование величины напряжения (а иногда и частоты), подводимой к двигател

В случае электромашиновентильных систем все перечисленные проблемы решаются намного проще - практически снимается вопрос о параллельной работе СИ в составе автономной электростанции, снимается также вопрос о регулировании частоты и напряжения. Применение машины со специальными параметрами (уменьшение значения ; ) также целесообразно, но процесс восстановления напряжения проистекает здесь гораздо быстрее. Более просто решается также и проблема работы СИ при наличии резко-переменной нагрузки (рис. 4, б).

В конечном итоге выбор того или иного технического решения определяется технико-экономическими расчетами

Выводы

1. Проблемы, возникающие при работе СИ автономно или параллельно с сетью могут быть решены известными техническими решениями.

2. Применение преобразовательной техники в СИ связано с дополнительными затратами, но позволяет эффективно решить возникающие проблемы.

3. Должен быть разработан пакет требований по мерам, направленным на обеспечение бесперебойной работы в реальных условиях электроснабжения.

4. Представляется целесообразным создание Центра по исследованиям и разработкам противоаварийных мероприятий в части: · проектирования; решения проблем, связанных с применением СИ; правильного выбора электрооборудования; выбора и увязки между собой электрической и технологической автоматики.

Контакты:

Шакарян Юрий Гевондович (ОАО "ВНИИЭ")

Тел./факс: (095) 113-02-18

E-mail: dir@vniies.ru

http://aces.ru/problems/n13/ways.htm