Параллельная работа дизельных генераторов на объекте: условия и оборудование

Зачем объекту вторая электростанция рядом с первой

Параллельная работа - это синхронная работа двух и более агрегатов на общую шину и общую нагрузку. Руководство Cummins T-016 описывает результат прямо: мощности машин складываются, а частота и напряжение на шине остаются номинальными. Под эту схему объект идёт по четырём причинам.

1. Резерв N+1. По T-016 резервирование означает, что в системе есть лишний агрегат сверх текущей нагрузки. Без него рост числа машин надёжности не прибавляет.
2. Наращивание мощности. Агрегаты вводят очередями по мере роста потребления.
3. Долевая нагрузка. ГК ТСС описывает энергокомплекс как решение для объектов с потреблением от 25 % номинала одной ДГУ до 100 % номинала всего комплекса: при малом потреблении работает одна машина.
4. Обслуживание без остановки объекта. Одну установку выводят на плановое ТО, питание идёт от остальных.

Отсюда развилка «одна большая машина или две поменьше». Cummins относит это решение к ранней стадии проектирования. Экономический эффект там связывают с нагрузкой свыше 1000 кВт, но ради резерва и сервиса в параллель ставят и машины от 30 кВт. Поэтому до выбора схемы считают суммарную мощность шины и сравнивают варианты: одна машина на 1000 кВт или две по 500 кВт.

Что должно совпасть, чтобы машины встали в параллель?

Условий четыре, и все они про совпадение параметров источников. Cummins T-016 формулирует это так: напряжение на общей шине должно быть постоянным, а частота и порядок следования фаз у машин - одинаковыми в любой момент. Четвёртое условие - совпадение фазы: реле контроля синхронизма замыкает цепь включения выключателя только при совпадении фаз.

ГК ТСС описывает энергокомплекс теми же словами - электростанции синхронизированы по частоте тока, чередованию фаз и параметрам напряжения и подключены к общей шине.

Числовых допусков на разность частот, напряжений и углов отечественные стандарты на ДГУ не задают. Эти числа живут в контроллере: завод кладёт значения по умолчанию, пусконаладка корректирует их под объект. Ниже - заводские уставки одного контроллера.

Какое оборудование нужно под параллельную работу?

Требования к устройствам управления и коммутационной аппаратуре ДГУ задаёт часть 4 комплекса - ГОСТ ISO 8528-4-2011. По карточке Росстандарта он действует с 1 января 2013 года и идентичен ISO 8528-4:1993. Для объектов особого назначения, например больниц, стандарт отдаёт приоритет своим требованиям.

Минимальный состав управления описывает Cummins T-016: каждая машина в параллельной системе получает сверх обычного управления автоматическое деление активной (кВт) и реактивной (квар) нагрузки и устройства синхронизации. К ним добавляют защиты. Реле контроля синхронизма (ANSI 25) включено последовательно в цепь включения выключателя и снимает команду, пока фазы расходятся. Реле обратной мощности (ANSI 32) отключает выключатель, когда агрегат перестаёт выдавать активную мощность и начинает вращаться от шины.

Коммутацию и защиту самого генератора описывает ПУЭ. Глава 3.2 шестого издания в целом адресована электроустановкам выше 1 кВ, но её п. 3.2.50 прямо говорит про генераторы до 1 кВ мощностью до 1 МВт. Их защиту от всех видов повреждений и ненормальных режимов следует выполнять автоматическим выключателем с максимальными расцепителями на выводах в двухфазном исполнении. Для тех же генераторов с глухозаземлённой нейтралью защита предусматривается в трёхфазном исполнении.

Deep Sea Electronics DSE8610 MKII синхронизирует до 32 генераторов, имеет slip sync и включение на обесточенную шину, линию MSC и встроенное управление регулятором частоты и AVR. ComAp InteliGen 500 G2 работает в группе до 32 контроллеров генераторов, сети и секционных выключателей, а в режиме droop сохраняет деление мощности при потере связи. SmartGen HGM9510 рассчитан на агрегаты одинаковой или разной мощности. В таблице 5 ГОСТ 33115-2014 управление всеми процессами «в том числе при параллельной работе» отнесено к третьей степени автоматизации: степени автоматизации ДГУ.

В комплект синхронизации ГК ТСС входят контроллер ComAp InteliCompact NT или InteliGen NT, контактор либо моторизированный автомат, кабели и настройка; шкаф сборных шин производитель выделяет в отдельную позицию. Сборку шины, монтаж и пусконаладку группы ведём своими бригадами по проекту.

Как делится активная и реактивная мощность

ГОСТ 33115-2014 в п. 6.3.8 требует распределять активные и реактивные нагрузки между параллельно работающими установками автоматически. Там же дан допуск: рассогласование активных нагрузок в диапазоне относительных нагрузок от 20 % до 100 % не должно превышать 10 %. Неравномерность по реактивным нагрузкам стандарт адресует к ГОСТ 22407 до 100 кВт включительно и к ГОСТ 14965 свыше 100 кВт.

Механику деления T-016 сводит к двум формулам. Подача топлива становится функцией частоты и доли активной нагрузки, уровень возбуждения - функцией напряжения и доли реактивной нагрузки. Попытка изменить напряжение или частоту синхронизированной машины меняет её долю нагрузки. Режимов деления два: при изохронном частота и напряжение держатся постоянными от холостого хода до полной нагрузки, при статизме (droop) проседают с ростом нагрузки.

Насколько однотипными должны быть агрегаты?

ГОСТ 33115-2014, п. 6.3.7: установки трёхфазного тока от 8 кВт с двигателями, допускающими параллельную работу, должны устойчиво работать параллельно между собой и с другими установками «с аналогичными характеристиками системы регулирования (при соотношениях мощности не более 1 : 3)».

Cummins формулирует практический критерий совместимости: двигатели, генераторы, системы распределения нагрузки и интерфейсы управления. И предупреждение там же: если несовместимость устранить не удаётся, оборудование меняют на совместимое либо от параллельной работы отказываются.

Параллель с внешней сетью: согласование и защиты

ГОСТ 33115-2014 в п. 6.3.7 допускает параллель с местной электрической сетью энергосистемы для установок 50 Гц напряжением 400 В и выше. Установкам мощностью до 200 кВт тот же пункт отводит параллель с сетью только на время, необходимое для перевода на них нагрузки.

Российская рамка такая. Правила технологического функционирования электроэнергетических систем (постановление Правительства РФ от 13.08.2018 N 937) в п. 1 устанавливают порядок и условия обеспечения параллельной работы объектов электроэнергетики и энергопринимающих установок потребителей в составе энергосистемы. Пункт 140 требует оснащать устройствами РЗА всё оборудование энергосистемы независимо от класса напряжения. Пункт 141 разрешает держать его в работе и опробовать напряжением только с включёнными защитами от всех видов повреждений. Схемы выдачи мощности, точки присоединения и требования к РЗА, противоаварийной и режимной автоматике, телемеханике и связи сетевая организация выдаёт в технических условиях по п. 25 Правил технологического присоединения (постановление Правительства РФ от 27.12.2004 N 861).

Cummins перечисляет защиты, которых обычно требует сетевая компания: защиту от выделения на изолированный режим, контроль порядка следования фаз, быстродействующую защиту по снижению частоты, реле обратной мощности. Для параллели с сетью руководство называет два прибора, редких на изолированной шине: реле обратной мощности (ANSI 32) и реле потери возбуждения или обратной реактивной мощности (ANSI 40). Комплект защит предлагает заказчик, утверждает или отклоняет его сетевая организация. Причина строгости там же: безопасность персонала сетевой организации на отключённой линии.

Пока технических условий и согласования нет, сеть и генераторы на одну шину не замыкают: допустима только раздельная работа со взаимной блокировкой вводов. Схема ввода и порядок перевода нагрузки разобраны отдельно: как подключить ДГУ к объекту и АВР для дизельного генератора.

Несинхронное включение - это авария. Cummins описывает последствия так: формы напряжения принудительно сводятся, роторы почти мгновенно переставляются в новые положения, а возникающие токи и механические усилия «могут иметь катастрофические последствия». Про включение с сетью сказано жёстче: оно почти всегда вызывает повреждение. Руководство предупреждает отдельно: проверку фазировки ведут на оборудовании под напряжением, и допускают к ней только обученных специалистов с подходящими приборами. Поэтому фазировку, настройку уставок и первую синхронизацию выполняет аттестованный персонал по проекту и программе пусконаладки. Обходить реле контроля синхронизма и защиту обратной мощности недопустимо.

Что заложить в проект и опросный лист

Способность к параллели - заказываемое свойство. Примечание к п. 6.3.7 ГОСТ 33115-2014 разрешает «в технически обоснованных случаях по согласованию с заказчиком» не ставить на установках устройства параллельной работы.

1. Число агрегатов сейчас и на перспективу, суммарная мощность шины.
2. Режим: только между собой на изолированную шину либо с заявкой на параллель с сетью.
3. Паспортная допустимость параллельной работы для двигателя и генератора каждой модели.
4. Соотношение мощностей машин в группе, тип системы регулирования, логика пуска.
5. Генераторный выключатель с дистанционным управлением, шкаф сборных шин, трансформаторы тока, линия связи контроллеров.
6. Размещение машин: на улице удобен контейнер, например ДГУ 500 кВт в контейнере.
7. Программа приёмо-сдаточных испытаний с проверкой фазировки и деления мощности.

Частые ошибки при вводе ДГУ в параллельную работу

1. Покупают агрегаты без устройств параллельной работы: по примечанию к п. 6.3.7 ГОСТ 33115-2014 их ставят по согласованию с заказчиком.
2. Собирают группу из машин с соотношением мощностей грубее 1 : 3 и с разными системами регулирования.
3. Экономят на реле обратной мощности, хотя Cummins называет эту защиту критичной для любой машины в параллели.
4. Ставят генераторный выключатель без реле контроля синхронизма, которое снимает команду включения при расхождении фаз.
5. Рассчитывают на параллель с сетью без технических условий сетевой организации по п. 25 Правил технологического присоединения.
6. Проверяют деление нагрузки в одной точке, тогда как допуск п. 6.3.8 ГОСТ 33115-2014 задан на диапазон от 20 % до 100 %.

Карта готовности группы ДГУ к синхронизации

1. Паспорта подтверждают допустимость параллельной работы для каждой машины.
2. Соотношение мощностей и типы регуляторов сверены по п. 6.3.7 ГОСТ 33115-2014.
3. Генераторные выключатели смонтированы, параметры согласованы с токами короткого замыкания.
4. Реле контроля синхронизма и защита от обратной мощности проверены действием.
5. Порядок следования фаз у всех источников сверен приборно, для параллели с сетью получены технические условия.
6. Деление активной и реактивной мощности зафиксировано на нескольких ступенях нагрузки.