На электрических станциях всегда устанавливают несколько турбо- или гидроагрегатов, которые работают совместно в параллельном соединении на общие шины генераторного или повышенного напряжения.
В результате этого выработка электроэнергии на электростанциях производится несколькими параллельно работающими генераторами и такая совместная их работа имеет много ценных преимуществ.
Параллельная работа генераторов:
1. повышает гибкость эксплуатации оборудования электростанций и подстанций, облегчает проведение планово-предупредительных ремонтов генераторов, основного оборудования и соответствующих РУ при минимуме необходимого резерва.
2. повышает экономичность работы электростанции, так как дает возможность распределять наиболее рационально суточный график нагрузки между агрегатами, чем достигается наилучшее использование мощности и повышается к. п. д.; на ГЭС дает возможность наиболее полно использовать мощность водяного потока в период паводков и летней и зимней межени;
3. повышает надежность и бесперебойность работы электростанций и электроснабжения потребителей.
Рис. 1. Принципиальная схема параллельной работы генераторов
Для увеличения производства и улучшения распределения электроэнергии многие электростанции объединяются для параллельной работы в мощные энергетические системы.
В нормальном режиме эксплуатации генераторы присоединены на общие шины (генераторного или повышенного напряжения) и вращаются синхронно. Их роторы вращаются с одинаковой угловой электрической скоростью
При параллельной работе мгновенные значения напряжений на выводах обоих генераторов должны быть равны по величине и обратны по знаку.
Для подключения генератора на параллельную работу с другим генератором (или с сетью) нужно произвести его синхронизацию, т. е. отрегулировать скорость вращения и возбуждение подключаемого генератора в соответствии с работающим.
Генераторы, работающий и включаемый на параллельную работу, должны быть сфазированы, т. е. иметь одинаковый порядок чередования фаз.
Как видно из рис. 1, при параллельной работе генераторы по отношению друг к другу включены навстречу, т. е. их напряжения U1 и U2 на выключателе будут прямо противоположны. По отношению же к нагрузке генераторы работают согласно, т. е. их напряжения U1 и U2 совпадают. Эти условия параллельной работы генераторов отражены на диаграммах рис. 2.
Рис. 2. Условия включения генераторов на параллельную работу. Напряжения генераторов равны по величине и противоположны по фазе.
Существуют два метода синхронизации генераторов: точная синхронизация и грубая синхронизация, или самосинхронизация.
Условия точной синхронизации генераторов.
При точной синхронизации возбужденный генератор подключают к сети (шинам) выключателем В (рис. 1) при достижении условий синхронизма — равенства мгновенных значений их напряжений U1 = U2
При раздельной работе генераторов их мгновенные фазные напряжения будут соответственно равны:
Отсюда вытекают условия, необходимые для параллельного включения генераторов. Для включаемого и работающего генераторов требуется:
1. равенство действующих значений напряжений U1 = U2
2. равенство угловых частот ω1 = ω2 или f1 = f2
3. совпадение напряжений по фазе ψ1 = ψ2 или Θ= ψ1 -ψ2 =0.
Точное выполнение этих требований создает идеальные условия, которые характеризуются тем, что в момент включения генератора уравнительный ток статора будет равен нулю. Однако следует отметить, что выполнение условий точной синхронизации требует тщательной подгонки сравниваемых величин напряжения частоты и фазных углов напряжения генераторов.
В связи с этим на практике невозможно полностью выполнить идеальные условия синхронизации; они выполняются приближенно, с некоторыми небольшими отклонениями. При невыполнении одного из указанных выше условий, когда U2, на выводах разомкнутого выключателя связи В будет действовать разность напряжений:
Рис. 3. Векторные диаграммы для случаев отклонения от условий точной синхронизации: а — Действующие напряжения генераторов не равны; б — угловые частоты не равны.
При включении выключателя под действием этой разности потенциалов в цепи потечет уравнительный ток, периодическая составляющая которого в начальный момент будет
Рассмотрим два случая отклонения от условий точной синхронизации, показанные на диаграмме (рис. 3):
1. действующие напряжения генераторов U1 и U2 не равны, остальные условия соблюдаются;
2. генераторы имеют одинаковые напряжения, но вращаются с разными скоростями, т. е. их угловые частоты ω1 и ω2 не равны, и имеет место несовпадение напряжений по фазе.
Как видно из диаграммы на рис. 3, а, неравенство действующих значений напряжений U1 и U2 обусловливает возникновение уравнительного тока I”ур, который будет почти чисто индуктивным, так как активные сопротивления генераторов и соединительных проводников сети весьма малы и ими пренебрегают. Этот ток не создает толчков активной мощности, а, следовательно, и механических напряжений в деталях генератора и турбины. В связи с этим при включении генераторов на параллельную работу разность напряжений может быть допущена до 5—10%, а в аварийных случаях — до 20%.
При равенстве действующих значений напряжений U1 = U2, но при расхождении угловых частот Δω=ω1 – ω2 ≠ 0 или Δf=f1 – f2 ≠ 0 происходит смещение векторов напряжений генераторов и сети (или 2-го генератора) на некоторый угол Θ, меняющийся во времени. Напряжения генераторов U1 и U2 в рассматриваемом случае будут отличаться по фазе не на угол 180°, а на угол 180°—Θ (рис. 3, б).
На выводах разомкнутого выключателя В, между точками а и б, будет действовать разность напряжений ΔU. Как и в предыдущем случае, наличие напряжения может быть установлено при помощи электрической лампочки, а действующую величину этого напряжения можно измерить вольтметром, включенным между точками а и б.
Если замкнуть выключатель В, то под действием разности напряжений ΔU возникает уравнительный ток I”ур, который в отношении U2 будет почти чисто активным и при включении генераторов на параллельную работу вызовет сотрясения и механические напряжения в валах и других деталях генератора и турбины.
При ω1 ≠ ω2 синхронизация получается вполне удовлетворительной, если скольжение s0<0,l% и угол Θ ≥ 10°.
Вследствие инерционности регуляторов турбины нельзя осуществить длительное равенство угловых частот ω1 = ω2, и угол Θ между векторами напряжений, характеризующий относительное положение обмоток статора и ротора генераторов, не остается постоянным, а непрерывно меняется; его мгновенное значение будет Θ=Δωt.
На векторной диаграмме (рис. 4) последнее обстоятельство выразится в том, что с изменением угла сдвига фаз в между векторами напряжений U1 и U2 будет также изменяться ΔU. Разность напряжений при этом ΔU называется напряжением биений.
Рис. 4. Векторная диаграмма синхронизации генераторов при неравенстве частот.
Мгновенное значение напряжений биений Δu представляет собой разность мгновенных значений напряжений u1 и u2 генераторов (рис. 5).
Предположим, что достигнуто равенство действующих значений U1=U2, фазные углы начала отсчета времени ψ1 и ψ2 тоже равны.
Тогда можно написать
Кривая изменения напряжения биений показана на рис.5.
Напряжение биений гармонически изменяется с частотой, равной полусумме сравниваемых частот, и с амплитудой, изменяющейся во времени в зависимости от угла сдвига фаз Θ:
Из векторной диаграммы рис. 4 для некоторого определенного значения угла Θ можно найти действующее значение напряжения биений:
Рис. 5. Кривые напряжения биений.
Учитывая изменение угла Θ с течением времени, можно написать выражение для огибающей по амплитудам напряжения биений, которое дает изменение амплитуд напряжения во времени (пунктирная кривая на рис. 5, б):
Как видно из векторной диаграммы на рис. 4 и последнего уравнения, амплитуда напряжения биений ΔU изменяется от 0 до 2Um. Наибольшая величина ΔU будет в тот момент, когда векторы напряжения U1 и U2 (рис. 4) совпадут по фазе и угол Θ = π, а наименьшая — когда эти напряжения будут отличаться по фазе на 180° и угол Θ = 0. Период кривой биений равен
При включении генератора на параллельную работу с мощной системой значение хс системы мало и им можно пренебречь (хс ≈ 0), тогда уравнительный ток
а ударный ток
В случае неблагоприятного включения в момент Θ = π ударный ток в обмотке статора включаемого генератора может достигнуть двойного значения ударного тока трехфазного короткого замыкания на выводах генератора.
Активная составляющая уравнительного тока, как видно из векторной диаграммы на рис. 4, равна
