Многоагрегатные энергетические установки на базе ДГУ, предназначенных для параллельной работы

"Торговый Дом Электроагрегат" проектирует, разрабатывает, производит, поставляет, монтирует, производит запуск и выполняет ввод в эксплуатацию многоагрегатные энергетические установки (энергоцентры, энергокомплексы) с использованием дизельных генераторов различного исполнения и различной мощности общим количеством до 32 штук. Энергоцентры состоят из дизельных электростанций, которые синхронизированы между собой по частоте тока, чередованию фаз, параметрам напряжения и подключены к общей шине.

Для отдаленных районов Крайнего Севера и Дальнего Востока Торговый Дом "Электроагрегат" г. Новосибирск выполняет проектирование, разработку, изготовление, монтаж и пусконаладку АГЭК - полностью автономных автоматизированных гибридных энергоцентров/энергокомплексов, сочетающих в себе возможность генерации электрической энергии солнца, ветра, мини-гидроэлектростанций и дизель-генераторных установок в различной конфигурации.

"Торговый Дом Электроагрегат" разработал и реализовал программно-аппаратный комплекс МОЛНИЯ, отвечающий за удаленный мониторинг параметров ДГУ и сопутствующего оборудования и управление дизель-генераторной установки. ПАК способен работать с любым количеством ДГУ.

Параллельный режим работы дизель-генераторов

Под параллельной работой ДЭС понимается выработка электроэнергии двумя или более агрегатами на общую нагрузку. Условие для параллельной работы — это равенство частоты, напряжения, порядка чередования фаз и углов фазового сдвига на каждом генераторе. Общая нагрузка при параллельной работе генераторов распределяется пропорционально их номинальным мощностям, внешние характеристики, построенные с учетом изменения скорости вращения первичных двигателей в зависимости от относительного значения тока I/Iн, одинаковы.

Параллельный режим работы дизель генераторов применяется в многоагрегатных энергетических установках с целью улучшения их рабочих характеристик:

• оптимизации коэффициента нагрузки каждого агрегата и как следствие — повышение топливной экономичности;
• повышения ресурса мощности свыше единичной мощности одного агрегата;
• повышения надежности всей энергетической установки за счет применения однотипных дизель-генераторов;
• оптимизации циклов сброса - наброса нагрузки на каждый дизель-генератор путём применения предварительно заданных законов приема и снятия нагрузки;
• коммутационные аппараты срабатывают при малых значениях тока, повышается ресурс коммутационной аппаратуры.

Параллельный режим работы дизель-генераторов стал применяться в генераторных установках на судах и промышленных электростанциях в середине 20-го века. Квалификация обслуживающего персонала была высокой, в то время, как степень автоматизации процесса была значительно ниже, чем в наши дни. Также вследствие низкой автоматизированности процесса, накладывались конструктивные ограничения на применяемость дизель-генераторных агрегатов. Например, требовалось равенство статизма нагрузочных характеристик дизель-генераторов, вводящихся в параллель.

В настоящее время, системы управления, построенные на принципе ПИД-регулирования позволяют вводить в параллель даже установки с первичными двигателями разного типа (например: дизель-генератор с газотурбинным генератором).

Методы ввода в параллельную работу двух и более дизель генераторов

Существует несколько методов, позволяющих ввести в параллельную работу два и более дизель-генератора:

1. Точная синхронизация

Для выполнения требуется добиться равенства значений напряжения, частоты тока и углов сдвига фаз на каждом генераторе. Коммутация на сборную шину производится после входа этих параметров в предварительно заданную зону уставок — окно синхронизации.

Точная синхронизация подразумевает применение электронного управления подачей топлива в первичном двигателе (управление частотой вращения первичным двигателем и как следствие — управление по активной мощности при параллельной работе, по углу фазового сдвига при синхронизации) и электронного управления током возбуждения синхронного генератора (управление напряжением и как следствие — управление по реактивной мощности при параллельной работе, выравнивание напряжения при синхронизации).

Такое решение связано с тем, что классические механические однорежимные регуляторы частоты вращения дизеля реагируют только на внешнее возбуждающее воздействие и не дают возможности оперативно изменять подачу топлива не только в зависимости от нагрузки, а по более сложным алгоритмам, которые применяются при синхронизации и при параллельной работе.

Аналогично решается вопрос с регулированием напряжения синхронного генератора. Регулятор должен иметь возможность внешнего автоматического управления вне зависимости от электрической нагрузки. Каждый дизель-генератор оборудуют контроллером с соответствующим функционалом для параллельной работы. Несколько контроллеров объединяют в сеть с применением аналогового или цифрового интерфейса.

Система настраивается таким образом, чтобы обеспечить надежную синхронизацию и устойчивую параллельную работу исходя из единичной мощности и характеристик каждого агрегата и условий их совместной работы на конкретную нагрузку.

2. Грубая синхронизация

Имеет более широкое окно синхронизации. Как следствие, возникают значительные уравнительные токи при замыкании генераторов на сборную шину.

3. Самосинхронизация

Для выполнения самосинхронизации замыкают раскрученный до номинальной частоты вращения генератор на сборные шины электростанции при отсутствии на нём возбуждения. Затем постепенно подают ток возбуждения на ротор генератора, результатом чего будет втягивание в синхронизм подключаемого генератора.

Дизельные электростанции, предназначенные для параллельной работы, оснащены системой управления на базе контроллера ComAp - InteliCompact NT MINT с блоком iAVR, который предназначен для применения в дежурном режиме и режиме параллельной работы. Этот контроллер обеспечивает работу до 32 генераторных установок в параллель и имеет такие функции, как деление нагрузки, оптимизация количества работающих генераторных установок в режиме параллельной работы. Кроме того, дизель генераторы оснащены системой удаленной связи и визуализации по интерфейсу RS и укомплектованы преобразователем связи RS-485 для подключения к компьютеру.

Применение контроллера ComAp - InteliCompact NT MINT позволяет решать следующие задачи:

• автоматическую синхронизацию при включении в параллель и автоматический прием нагрузки при параллельной работе ДЭС между собой;
• автоматическое, пропорциональное распределение активной нагрузки между ДЭС различной мощности с точностью 10% номинальной мощности меньшего по мощности агрегата. При этом системы возбуждения генераторов обеспечивают распределение реактивной мощности с точностью 10% при изменении суммарной нагрузки от 25% и выше;
• автоматическую поддержку номинальной частоты вращения и выходного напряжения генераторов во всем диапазоне нагрузок;
• плавную разгрузку ДГУ при выходе из параллельной работы.

Примеры систем резервного электроснабжения на базе параллельно работающих дизель генераторов

Контроллеры, разработанные компанией ComAp, позволяют строить самые разнообразные конфигурации параллельно работающих генераторов, в том числе и очень сложные. Вот несколько примеров.

Пример 1: группа генераторных установок, синхронизируемая с сетью

Описание системы:

1. Полностью автоматизированная система снижает расходы на электроэнергию путем безразрывного переключения потребителей на генераторы в пиковые часы и во время действия повышенных тарифов.
2. В то же время система выполняет роль резервной при отказе сети.
3. Для удаленного контроля ДГ из диспетчерской используется локальная вычислительная сеть предприятия.
4. Для мониторинга и управления используется ПО InteliMonitor.
5. Широкий набор функций защиты двигателя и генератора, включая защиту по смещению вектора
6. Автоматическая прямая и обратная синхронизация с сетью с плавной передачей нагрузки и безразрывным переключением.
7. Импорт/экспорт активной и реактивной мощности в сеть, распределение активной и реактивной нагрузки между ДГ.
8. Автоматическая оптимизация числа работающих ДГ в зависимости от нагрузки.
9. Функция ограничения пиковой нагрузки (peak shaving), активируемая автоматически по расписанию, в часы повышенного потребления электроэнергии.
10. Файл истории с полным журналом событий и измерений сохраняется в контроллере для легкого поиска неисправностей.
11. Прозрачная для пользователя коммуникация с электронным блоком управления двигателем, все важные параметры и сигналы отображаются на экране InteliCompact NT и сохраняются в общем журнале в удобочитаемом виде.

Пример 2: электростанция с управлением мощностью в зависимости от нагрузки

Описание системы:

1. Автоматический запуск и остановка генераторов производится с учетом нагрузки, приоритета генераторных установок и наработки каждой установки и осуществляется отдельным контроллером с прошитым ПО IGS-NT-PSC.
2. Управление мощностью в 16 настраиваемых диапазонах позволяет увеличить эффективность ДЭС при использовании ДГУ с двигателями разной мощности.
3. Мастер-контроллер электростанции (Power Station Controller, PSC) обеспечивает автоматическое уравнивание моточасов для 30 ДГУ для равномерной выработки ресурса и оптимизации графика технического обслуживания.
4. Встроенное управление вспомогательным оборудованием: автоматической дозаправкой топлива (встроенные каналы для двух насосов), вентиляторами и т. д. с помощью предопределенных функций или с помощью встроенного программируемого логического контроллера (ПЛК).
5. Централизованный контроль группы генераторов и их вспомогательного оборудования с полным мониторингом.
6. Для мониторинга и управления используется ПО InteliMonitor с использованием технологии AirGate.
7. Служебные сообщения с помощью SMS или электронной почты.
8. Файл истории с полным журналом событий и измерений сохраняется в контроллере для легкого поиска неисправностей.
9. Совместимость по шине CAN с другими контроллерами ComAp позволяет легко интегрировать подобную электростанцию в еще более крупную систему в качестве структурной единицы.

Пример 3: мобильные электростанции

Описание системы:

1. Передвижные дизель генераторы контейнерного исполнения используются при авариях сети, на мероприятиях, требующих гарантированного электропитания, в случае отсутствия сети, а также для бесперебойного питания потребителей в случае ремонтных работ в сети.
2. Генераторы соединяются в систему, вручную запускаются, синхронизируются с сетью, затем нагрузка плавно переносится на генераторы. Затем сеть вручную отключается, потребители не испытывают перебоев в питании.
3. После окончания ремонтных работ в сети происходит обратная синхронизация группы ДГ с сетью. Контроллер InteliMains NT поддерживает синхронную работу ДГ и сети для возможности ручного переключения.
4. Для синхронизации группы ДГ с сетью используется отдельный контроллер InteliMains NT в ударопрочном кейсе.
5. Электрические соединения между генераторами снабжены маркировкой и исключают неправильное подключение.
6. Каждый генератор может работать в режимах: резервном, одиночном параллельно с сетью, параллельном, в зависимости от положения переключателя режима.

Пример 4: резервная параллельная система со сбросом избыточной нагрузки

Описание системы:

1. Система обеспечивает гарантированное питание потребителей первой категории при отказе сети.
2. Контроллер InteliMains NT выполняет функцию ввода резерва и активизирует щит АВР для переключения нагрузки, если безразрывное переключение с синхронизацией не удалось.
3. Сброс нагрузки происходит при переключении на генераторы, от ДГ питаются потребители первой категории
4. Генератор запускается, синхронизируется с сетью, плавно принимает нагрузку. При росте потребления запускается второй генератор.
5. Автоматическая прямая и обратная синхронизация с сетью с плавной передачей нагрузки для безразрывного переключения.
6. Стандартно реализован широкий набор функций защиты двигателя и генератора, включая защиту по смещению вектора.
7. Автоматическая оптимизация числа работающих установок в зависимости от энергопотребления.
8. Автоматическое уравнивание наработки на ТО всех двигателей.
9. Второй генератор может использоваться как резервный.
10. Файл истории с полным журналом событий и измерений сохраняется в контроллере для легкого поиска неисправностей.

Пример 5: параллельная система с быстрой синхронизацией при запуске

Описание системы:

1. Решение обеспечивает самую быструю готовность системы параллельных генераторов к приему нагрузки.
2. Нет необходимости запускать генераторы поочередно и ожидать их синхронизации с общей шиной.
3. Решение подходит для резервных электростанций.
4. Решение основано на самосинхронизации генераторов переменного тока. Двигатели генераторных установок запускаются одновременно без подачи возбуждения на генераторы, затем ток возбуждения генераторов плавно увеличиваются и генераторы втягиваются в синхронизм.
5. Решение идеально для систем, использующих ИБП.
6. Система готова к приему нагрузки в течение 8-10 с с подачи команды на запуск.
7. Время готовности системы не зависит от количества ДГ в ней.
8. Двигатели, не вышедшие на режим в течение заданного времени, исключаются из процесса самосинхронизации и синхронизируются с общей шиной обычным способом после запуска основных двигателей.
9. Для медленно запускающихся генераторов в системе применяется традиционный метод синхронизации.
10. При использовании повышающих трансформаторов — плавное намагничивание их сердечников, что устраняет пусковые токи.

Пример 6: система с несколькими сетевыми вводами

Описание системы:

1. В нормальном режиме нагрузка питается по двум фидерам для обеспечения максимальной надежности электроснабжения. Секционный выключатель (Bus-tie breaker, BTB) замкнут.
2. Внешний ПЛК с алгоритмом переключения определяет, какие выключатели замкнуты, а какие разомкнуты, независимо от состояния сетевых вводов и генераторов.
3. Обратная синхронизация по обоим вводам и на обоих секционных выключателях выполняется пятью модулями InteliMains NT, управляемыми внешним ПЛК.
4. Распределение активной и реактивной нагрузки осуществляется в двух режимах:
5. Распределение нагрузки между всеми генераторами — если секционный выключатель замкнут;
6. Распределение нагрузки по двум независимым группам — если секционный выключатель разомкнут.
7. Пуск/останов ДГУ в зависимости от нагрузки работает также в двух режимах:
8. По всем генераторам — если секционный выключатель замкнут;
9. По двум независимым группам — если секционный выключатель разомкнут.
10. Все контроллеры постоянно соединены между собой сигнальной шиной CAN, независимо от положения секционного выключателя.
11. Система удаленно управляется и контролируется из диспетчерской по локальной сети предприятия с помощью модуля IG-IB.

Пример 7: система с секционированными потребителями

Описание системы:

1. Система резервного питания выборочно переключается с одной ветки потребителей на другую с помощью главного переключателя (ГП, Master Selector Switch, MSS): для переключения ГП используется логический выход MSS.
2. Линии измерения напряжения сети, тока генератора, обратные связи от контакторов генератора и сети, сигналы управления генераторными и сетевыми контакторами и сигналы сбоя сети от реле MainsPro также коммутируются с помощью ГП. Таким образом, генератор в данный момент времени доступен для одной ветки потребителей.
3. Реле защиты сети MainsPro контролируют сеть по трем веткам. При сбое в одной из сетей запускается генератор.
4. В случае сбоя сети в одной из веток соответствующее реле MainsPro размыкает контактор сети, ГП переключается на соответствующую ветку и замыкает контактор генератора.
5. Если в это же время возникает сбой на другой ветке, контроллер завершает действия с первым контактором генератора, ГП переключается на другую ветку и замыкает контактор генератора на ней.
6. При возобновлении сети на какой-либо ветке ГП переключается на эту ветку, контроллер InteliSys NT производит обратную синхронизацию с сетью, замыкает сетевой контактор и размыкает контактор генератора. Допускается кратковременная параллельная работа с сетью на выбранной ветке.
7. ГП блокируется от отключения ветки потребителей в случае если:
• активен параллельный режим работы;
• активны сигналы включения/выключения контактора генератора или сигнал включения контактора сети;
• задействован сигнал аварии сети и контактор генератора разомкнут.
8. Когда все сбои сети устранены и все контакторы генератора выключены, генератор останавливается.