Главная | Обратная связь

Параллельная работа синхронных генераторов

 

Современные мощные энергосистемы состоятизбольшого числа электрических станций, работающих параллельно друг с другом. Благодаря этому повышаются надежность и экономичность производства и распределения электрической энергии. Появляется возможность маневрирования работой отдельных станций с учетом наиболее рациональных условий преобразования различных видов энергии, уменьшается мощность аварийного и ремонтного резервов.

Так как на каждой из станций установлены десятки генераторов, то в энергосистеме на параллельную работу будет включено несколько сотен машин. При любых изменениях режима работы отдельного генератора, включенного в систему, напряжение в ней и частота остаются постоянными. Они поддерживаются всеми остальными генераторами системы. В дальнейшем при рассмотрении параллельной работы синхронного генератора будем исходить из условия, что U_с = const и f = соnst.

Существуют два способа включения синхронного генератора на параллельную работу с сетью: способ точной синхронизации и способ самосинхронизации (грубой синхронизации).

При включении синхронного генератора на параллельную работу с сетью по способу точной синхронизации стремятся к тому, чтобы при включении не возникало больших бросков тока. Большие толчки тока вызывают большие моменты, действующие как на ротор, так и на статор, и силы, которые могут привести к разрушению обмотки статора.

Для того чтобы исключить броски тока при включении генератора, необходимо выполнить следующие условия:

1) равенство ЭДС генератора Е_о и напряжения сети U_с;

2) равенство частот генератора f_г и сети f_с;

3) ЭДС генератора Е_о и напряжение сети U_с должны находиться в противофазе;

4) чередование фаз ЭДС генератора и напряжениясетидолжно быть одинаковым (для трехфазных генераторов).

При включении генератора на параллельную работу выполнение первого условия проверяется по вольтметрам, включенным в сеть и на выводы генератора. Равенства U_г = U_с добиваются путем регулирования тока возбуждения генератора.

Остальные условия проверяются с помощью специальных приборов, называемых синхроноскопами. Простейшим синхроноскопом является ламповый.

Наиболее благоприятным моментом для включения генератора в сеть будет момент времени, когда лампы погаснут. На практике при включении генератора на параллельную работу с сетью регулируют скорость приводного двигателя и добиваются, чтобы промежутки времени между следующими друг за другом погасаниями ламп были достаточно большими, чтобы успеть включить генератор на параллельную работу.

 

Для трехфазных генераторов применяются две схемы включения ламп: на потухание и на вращение света.

Рисунок 3.9 - Схема включения трехфазного синхронного генератора на параллельную работу с сетью. Лампы синхроноскопа включены по схеме на потухание света (а) и на вращение света (б)

 

Рассмотрим первуюсхему (рисунок 3.9а), когда лампы включены между точками А'—А", В'—В" и С'—С", каждая пара относится к одной фазе. В момент включения выключателя напряжения между этими точками должны быть равны нулю и все три лампы должны погаснуть. При этом напряжение U_c и ЭДС Е_о для каждой фазы действуют навстречу друг другу, т. е. они находятся в противофазе.

Во второй схеме (рисунок 3.9б) одна из ламп подключается к точкам одной фазы А'—А", а две другие лампы — между точками разных фаз В'—С" и С'—В". В этой схеме до включения выключателя лампы будут попеременно загораться и гаснуть. Это будет происходить из-за взаимного перемещения векторов напряжения U_c и ЭДС Е_o , вызванного несовпадением их частот. Включение выключателя должно быть произведено, когда одна лампа (между А'—А") погаснет, а две другие, лампы будут гореть с одинаковым накалом. Перед включением выключателя следует добиться, чтобы вращение света происходило с небольшой скоростью, что достигается регулированием скорости приводного двигателя.

Лампы гаснут при напряжениях, равных 30—60%их номинального напряжения, поэтому, для того чтобы более точно выбрать момент включения выключателя параллельно лампе между точками А'—А" включают так называемый нулевой вольтметр. Стрелка этого вольтметра при медленных колебаниях, соответствующих потуханию и загоранию ламп, покажет нуль, когда напряжение между точками А'—А" равно нулю.

С помощью лампового синхроноскопа можно определить соответствие порядка чередования фаз сети и генератора. Если при включении ламп между точками А'—А", В'—В" и С'—С" будет наблюдаться вращение света, а при второй схеме будет наблюдаться одновременное загорание и погасание ламп, то это будет означать, что сеть и генератор имеют разный порядок чередования фаз. Изменить порядок чередования фаз сети или генератора можно путем переключения двух фаз между собой.

В настоящее время на электрических станциях применяются более сложные синхроноскопы, позволяющие автоматизировать процесс включения генератора на параллельную работу.

Включение синхронного генератора на параллельную работу методом точной синхронизации занимает довольно много времени (до 10 мин). Для ускорения включения применяют способ самосинхронизации. Включение этим способом проводится следующим образом. Приводным двигателем скорость невозбужденного ротора генератора доводится почти до номинальной (синхронной). Затем обмотка статора включается в сеть при быстром вслед за этим включении тока в обмотке возбуждения. После переходного процесса генератор втягивается в синхронизм и оказывается включенным на параллельную работу. Недостаток метода самосинхронизации — значительные токи в процессе синхронизации. Он используется при необходимости быстро включать машину в систему.

Перед первым включением генератора на параллельную работу способом самосинхронизации следует предварительно проверить ранее указанным методом совпадение чередования фаз сети и генератора.

Пока генератор не включен в сеть, его скорость не остается постоянной, после включения в сеть скорость становится строго постоянной, т. е. машина держится в синхронизме.

Включив синхронный генератор на параллельную работу с сетью следует его нагрузить

Активную мощность генератора, работающего параллельно с сетью, можно регулировать изменением момента на его валу путем воздействия на двигатель (турбину), приводящий (приводящую) во вращение генератор (за счет изменения подачи воды или пара в турбину, путем изменения тока возбуждения у двигателя постоянного тока и др.).

Реактивную мощность синхронного генератора, работающего параллельно с сетью, регулируют, изменяя ток в обмотке возбуждения.

Если увеличить ток возбуждения (перевозбудить машину), то ЭДС Е₀ возрастет и DU ¹ 0. Вследствие этого в цепи статора возникает ток, который будет отставать от DU и Е₀ на угол φ=90°. При этом генератор вырабатывает только реактивную мощность, которую отдает в сеть. Ток статора и реактивная мощность будут увеличиваться с возрастанием тока возбуждения.

Если от точки равновесия, когда Е₀ = U_с, начать уменьшать ток возбуждения и ЭДС Е₀ (недовозбуждать машину), то здесь также появится ток, но противоположного, чем прежде, направления. Поэтому ток статора, отставая от DU на угол 90°, будет опережать ЭДС Е₀ на тот же угол. Реактивная мощность изменит свое направление, и будет поглощаться из сети. Ток в статоре будет тем больше, чем меньше будет ток возбуждения.

Таким образом, изменение возбуждения генератора вызывает лишь появление реактивного тока. При перевозбуждении генератор будет работать с отстающим током по отношению к Е₀, а при недовозбуждении — с опережающим.

Векторная диаграмма неявнополюсной синхронной машины при параллельной работе с сетью бесконечной мощности при синусоидальном поле в зазоре показана на рисунке 8.2. Особенностью векторной диаграммы синхронной машины при параллельной работе с сетью является постоянство напряжения, так как напряжение сети не изменяется ни при каких изменениях в режиме работы машины.

Рисунок 3.10 - Векторная диаграмма синхронной машины при параллельной работе с сетью

Из векторной диаграммы для ненасыщенной машины:

(3.26)

(3.27)

Подставляя значение cosψ в выражение (8.1), получим:

(3.28)

Соответственно электромагнитный момент:

(3.29)

Электромагнитная мощность и электромагнитный момент зависят от U, Е₀ , х_с и угла θ. Из векторной диаграммы видно, что угол θ — это угол между Е₀ и U, а также между F_f и результирующей МДС F_p или угол между осью полюса и максимумом результирующего потока.

Временному сдвигу на векторной диаграмме соответствует пространственный сдвиг между осью результирующего поля машины и осью полюсов. Угол θ определяет активную мощность машины и называется углом нагрузки.

По формуле (3.28) может быть построена угловая характеристика Р_м=f(θ) (рисунок 3.11).

Рисунок 3.11 - Угловая характеристика неявнополюсной синхронной машины

 

Из угловой характеристики следует, что максимум электромагнитной мощности имеет место при θ=90°:

(3.30)

и соответственно максимальный электромагнитный момент

(3.31)

Максимальная электромагнитная мощность Р_{эм max} определяет предел статической устойчивости машины, т.е. ее способность оставаться в синхронизме. Увеличение нагрузки за предел статической устойчивости приводит к выпадению машины из синхронизма.

На угловой характеристике от угла θ, равного нулю, до θ=90° расположена устойчивая часть характеристики, а в пределах угла от θ=90° до θ=180° — неустойчивая часть характеристики.

Работа синхронной машины устойчива, если положительному (отрицательному) приращению Δθ соответствует положительное (отрицательное) приращение Р_ЭМ, т.е.

(3.32)

Полнее это характеризует удельная синхронизирующая мощность, — первая производная Р_ЭМ по углу θ (Вт/рад):

(3.33)

Зависимость синхронизирующей мощности от угла θ показана на рисунке 3.11 штриховой линией. Синхронизирующая мощность удерживает машину в синхронизме. Она обеспечивает упругую связь машины с сетью.

Синхронизирующая мощность максимальна, когда Р_ЭМ=0. Когда машина находится на пределе статической устойчивости, т.е. электромагнитная мощность равна своему максимальному значению, Р_с=0. Если запас синхронизирующей мощности равен нулю, машина выпадает из синхронизма и перестает работать как синхронный генератор.

При выпадении из синхронизма наступает асинхронный режим. В асинхронном режиме с синхронной машины должно быть снято возбуждение. Этот режим для синхронных машин допускается кратковременно.

Номинальная нагрузка синхронных генераторов обычно рассчитывается при угле θ=20-30°. Поэтому кратковременно машина может работать при 1,5—2-кратном увеличении нагрузки, не выпадая из синхронизма. Отношение называется статической перегружаемостью синхронной машины.

Статическая перегружаемость определяется формулой:

(3.34)

Выражение (3.34) получено при условии, что сопротивление обмотки статора равно нулю и не учитывается насыщение.

Статическая перегружаемость турбогенераторов мощностью до 300 МВт должна быть не менее 1,7, а для турбогенераторов мощностью 500-1200 МВт — не менее 1,6. Статическая перегружаемость гидрогенераторов — не ниже 1,7.

Поле в синхронной машине, работающей параллельно с сетью, создается обмоткой возбуждения и реактивными токами, протекающими в обмотке статора. Результирующее поле, как это видно из векторной диаграммы (рисунок 3.12), определяется МДС обмотки статора и обмоткой возбуждения. При изменении тока в обмотке возбуждения изменяется Е₀ , что приводит к изменению реактивного тока, замыкающегося в контуре сеть—машина.

 

Рисунок 3.12 - Векторные диаграммы при регулировании реактивной мощности

 

При увеличении тока в обмотке возбуждения (перевозбуждении машины) вектор U_с не будет уравновешивать Е₀ и появится «избыточная» ЭДС ΔЕ=U+Е₀ (рисунок 8.4а), которая вызовет появление реактивного тока:

(3.35)

где I_р — реактивный ток, отстающий от ΔЕ и напряжения генератора U_г.

По отношению к напряжению сети I_р — опережающий ток. При уменьшении тока возбуждения (недовозбуждении машины) U > Е₀ (рисунок 8.4б) и реактивный ток I_р отстает от напряжения сети.

Изменяя ток возбуждения, можно регулировать cosφ синхронного генератора, работающего параллельно с сетью. Минимуму тока статора на U-образной характеристике соответствует cosφ=l. При увеличении активной мощности, отдаваемой генератором в сеть, U-образные характеристики будут располагаться выше, при этом точки, соответствующие минимальному току статора (активному току I_а) и cosφ=l, будут перемещаться вправо. Объясняется это тем, что при увеличении I_а возрастает падение напряжения в статоре, и чтобы уравновесить это падение напряжения, потребуется увеличение тока возбуждения I_в.

Если при всех изменениях тока возбуждения вращающий момент приводного двигателя остается неизменным, то также неизменной остается активная мощность генератора:

(3.36)

Из этого выражения следует, что при U_c=const активная составляющая тока статора I₁•cosφ = const.

Таким образом, степень возбуждения синхронного генератора влияет только на реактивную составляющую тока статора. Что же касается активной составляющей тока, то она остается неизменной.

Зависимость тока статора I₁ от тока в обмотке возбуждении I_в при неизменной активной нагрузке генератора выражается графически U-образной кривой. На рисунке 3.13 представлены U-образные характеристики I₁ =f(I_в) при Р₂ = const, построенные для разных значений активной нагрузки: P₂ = 0; Р₂ = 0,5Р_ном и P₂ = Р_ном

 

Рисунок 3.13 - U-образные характеристики синхронного генератора работающего параллельно с сетью при различных значениях нагрузки

U-образные характеристики синхронного генератора показывают, что любой нагрузке генератора соответствует такое значение тока возбуждения I_в', при котором ток статора I₁ становится минимальным и равным только активной составляющей. В этом случае генератор работает при коэффициенте мощности cosφ=1. Значения тока возбуждения, соответствующие cosφ=1 при различной нагрузке генератора, показаны пунктирной линией. Некоторое отклонение линии вправо указывает на то, что при увеличении нагрузки ток возбуждения, соответствующий cosφ=1 , несколько возрастает. Объясняется это тем, что при росте нагрузки необходимо некоторое увеличение тока возбуждения, компенсирующее активное падение напряжения.

Необходимо иметь в виду, что при постепенном уменьшении тока возбуждения наступает такое минимальное его значение, при котором магнитный поток обмотки возбуждения оказывается настолько ослабленным, что синхронный генератор выпадает из синхронизма — нарушается магнитная связь между возбужденными полюсами ротора и вращающимся полем статора. Если соединить все точки минимально допустимых значений тока возбуждения на U-образных характеристиках (штриховая линия в левой части рисунка3.13), то получим линию предела устойчивости работы синхронного генератора при недовозбуждении.

С точки зрения уменьшения потерь генератора наиболее выгодным является возбуждение, соответствующее минимальному току статора, т. е. когда cosφ=1. Но в большинстве случаев нагрузка генератора имеет индуктивный характер и для компенсации индуктивных токов (отстающих по фазе от напряжения сети) приходится несколько перевозбуждать генератор, создавая условия, при которых ток статора I₁ опережает по фазе напряжение сети U_с.

Следует отметить, что для сохранения cosφ неизменным при изменениях активной нагрузки генератора, требуется одновременное изменение тока возбуждения генератора.