Cоюз свободных электриков


Расчет мощности системы гарантированного электроснабжения
Тема: МАСТЕРАМ Дата:  25.9.05

Расчет мощности системы гарантированного электроснабжения включает следую­щие взаимосвязанные задачи:

- обеспечение работы в режиме малых нагрузок;

- обеспечение отказоустойчивой работы;

- согласование совместной работы ИБП-ДГУ

При проектировании резервных дизель-электростанций часто возникает требо­вание длительной и надежной работы ДГУ с минимальной нагрузкой (в ряде случа­ев до холостого хода включительно). Это требование вызвано крайне неравномер­ной загрузкой ДГУ как во времени (от минут до нескольких суток), так и по вели­чине нагрузки (от холостого хода до номинальной). В настоящее время для боль­шинства дизельных двигателей нагрузка должна быть не менее 25...40% от номи­нальной только в течение ограниченного времени (обычно 1 ...2 ч, а в ряде случаев 15...30 мин). После работы в этом режиме требуется прожиг, проводимый на на­грузке порядка 70...80% от номинальной.

Последнее объясняется тем, что при работе на малых нагрузках из-за невысокой температуры выхлопных газов смазочное масло, попадающее в камеру сгорания и частично выносимое в коллектор и выхлопной трубопровод, полностью не сгорает, а оседает на их стенках, элементах турбонагнетателя, клапана и т.п., где коксуется. При длительной работе дизеля в таком режиме это коксование приводит к умень­шению сечения соплового аппарата турбонагнетателя и, как следствие, к наруше­нию нормальной работы дизеля. Более того, при последующих пусках и попадании топлива в выхлопную систему это может привести к взрыву («хлопку»), который часто сопровождается повреждением дизеля.

В силу изложенного при необходимости обеспечения работы дизельной элек­тростанции в широком диапазоне мощностей (от минимальной до номинальной) устанавливают несколько дизель-генераторных установок, оборудованных систе­мой управления, обеспечивающей их последовательный автоматический ввод в ра­боту при достижении нагрузки работающих агрегатов заданного значения (обычно 75...80% номинальной) и остановку при ее снижении (до 25...30%). При этом ис­пользуемые ДГУ могут быть разной мощности и иметь разные пределы допусти­мой минимальной нагрузки. В этом случае минимальная нагрузка дизельной элек­тростанции определяется характеристиками (мощностью и минимально допусти­мой нагрузкой) первой включающейся в работу ДГУ системы, а ее уменьшение по сравнению с вариантом установки одной эквивалентной ДГУ (равной по мощности сумме мощностей установок, используемых на электростанции) определяется выражением

где qмин — величина минимальной нагрузки, в % от нагрузки, допускаемой при ус­тановке одной ДГУ эквивалентной мощности; Nэкв, qэкв — номинальная мощность (кВА) и минимально допустимая нагрузка (%) эквивалентной ДГУ; Nycт, %ст — но­минальная мощность (кВА) и минимально допустимая нагрузка (%) фактически ус­тановленной ДГУ, включаемой в работу первой.

Отметим, что в ряде случаев резервные дизельные электростанции выполняют из нескольких ДГУ, равных по мощности и запускаемых одновременно. Мощно­сти одной из них достаточно для питания всей расчетной нагрузки. Последнюю подключают к той ДГУ, которая после команды на пуск первой выходит на ре­жим готовности к ее приему. Остальные ДГУ, как правило, проработав несколько минут (выдержка времени), останавливаются. Такие дизельные электростанции обеспечивают повышенную надежность электроснабжения, но их стоимость весь­ма высока. Вопросы о работе на минимальной нагрузке и «прожиге» ДГУ на та­ких электростанциях практически не стоят (время работы ДГУ на холостом ходу измеряется минутами, благодаря чему прожиг производится не чаще, чем через два-три месяца).

Применение вместо одной нескольких ДГУ позволяет существенно снизить ми­нимальную нагрузку, на которой допускается длительная работа электростанции, однако этот метод имеет и ряд недостатков:

- повышенная стоимость (по сравнению с применением одной установки);

- более сложная и соответственно дорогая система управления;

-невозможность снижения минимально допустимой нагрузки до холостого хода.

Наряду с проблемами работы в режиме минимальных нагрузок существуют проблемы, вызываемые характером нагрузки. К ним относятся гармонические иска­жения тока, вызываемые работой нагрузки, и характер тока — индуктивный или емкостной. Активная составляющая тока всегда присутствует. Желательно, чтобы ДГУ была нагружена на любую активно-индуктивную нагрузку, а форма потреб­ляемого тока была близка к синусоидальной. В противном случае работа ДГУ за­трудняется вследствие нарушений функционирования систем регулирования и воз­никновения перегрузок. Данные проблемы приходится решать при согласовании работы ДГУ с ИБП.

Согласование совместной работы ДГУ и ИБП требует предварительного выбора и расчета конфигурации ИБП с целью снижения уровня гармонических искажений, вносимых выпрямителем ИБП. Под конфигурацией ИБП понимается исполнение выпрямителя (6- или 12-импульсный) и фильтры гармоник. Наличие нелинейной нагрузки, в нашем случае выпрямителя ИБП, генерирует токи гармоник, которые, протекая в линейных элементах электрической сети, вызывают гармонические ис­кажения напряжения. Нелинейные нагрузки порождают проблемы не только в ра­боте ДГУ, но и вызывают:

- перегрев кабелей и трансформаторов;

- возрастание потерь в компенсирующих конденсаторах;

- изменение крутящего момента электродвигателей и, следовательно, измене­ние скорости их вращения;

- сбои в работе автоматических выключателей и устройств защитного отключе­ния;

- проблемы в работе телекоммуникационных систем;

- сбои систем мониторинга.

Типичной нелинейной нагрузкой является тиристорный выпрямитель ИБП, ко­торый генерирует следующие гармонические составляющие токов:

n = kp± 1,

где n — номер гармоники; к — константа, принимающая значения 1, 2, 3,...; р — количество преобразований или импульсов выпрямителя.

Например, 6-импульсный выпрямитель генерирует гармоники: 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25 и т.д. В случае применения 12-импульсного выпрямителя имеем следую­щие гармоники: 11, 13, 23, 25 и т.д.

Величина гармонических токов выпрямителя зависит от параметров его входной цепи, активного сопротивления сети и качества электроэнергии источ­ника питания. Искажения напряжения являются функцией гармоник тока и полных сопротивлений на различных частотах. Величины токов выше 25-й гармо­ники пренебрежимо малы как для 6-импульсного выпрямителя, так и для 12-им-пульсного.

Теоретически для идеального источника с нулевым полным сопротивлением и полным отсутствием постоянной составляющей действующее значение тока гармо­ник определяются как

In = I0/n,

где In — величина тока гармоники; I0 — величина основного тока (тока основной частоты — 50 Гц); n — номер гармоники.

Существуют различные пути подавления гармонических искажений:

1. Отделение ИБП от другого оборудования с помощью разделительного транс­форматора на стадии проектирования распределительной сети.

2. Применение фильтров подавления гармоник.

3. Увеличение количества импульсов выпрямителя за счет использования двухмостового выпрямителя или фазосдвигающего трансформатора.

Прежде чем анализировать применение фильтров и/или 12-импульсного вы­прямления, следует убедиться, необходимо ли это. Использование фильтров допус­тимо в случаях, когда применение ДГУ не предусматривается. Дело в том, что со­противление фильтров на основной частоте носит ёмкостной характер. Включение ДГУ на ёмкостную нагрузку противопоказано. Выбор мероприятий по ограниче­нию гармоник связан единым алгоритмом, учитывающим применение ДГУ. Струк­турная схема алгоритма приведена на рис. 4.13. Определив необходимость подавле­ния гармоник, производим выбор конфигурации ИБП исходя из табл. 4.2.

 

Рис. 4.13. Алгоритм выбора мероприятий по подавлению нелинейных искажений

(источник: IMV)

 

Таблица 4.2. Выпрямители ИБП для совместной работы с ДГУ

№ п/п

Наименование схемы выпрямителя

Схема выпрямителя

Величина гармоник тока, %

Преимущества

Недостатки

Пригодность для работы с ДГУ

1

6-импульсный

27,8

Дешевизна, простота

Большое содержание гармоник, дизель-генератор может перегреваться, влияние на других потребителей

-

2

6-импульсный + фильтр 5, 7, 11, 13-й гармоник

7,0

Подавление 5, 7, 11, 13-й гармоник, входной cosφ приблизительно равен 1

Емкостная нагрузка может вызвать проблемы с регулятором дизель-генератора, не подавляет гармоники высших порядков

-

3

6-импульсный + фильтр 5-й, 7-й гармоник

11,4

Подавление 5-й, 7-й гармоник, входной cosφ приблизительно равен 1

Емкостная нагрузка может вызвать проблемы с регулятором дизель-генератора, не подавляет гармоники высших порядков, входной coscp может быть емкостного характера

-

4

12-импульсный

9,4

Подавление 5, 7, 17, 19, 29, 31-й гармоник, отсутствует влияние на дизель-генератор, гальваническая изоляция

Входной coscp достаточно низок (0,83)

+ + +

5

Квази-12-им-пульсный

9,7

Подавление 5, 7, 17, 19,29,31-й,... гармоник

Входной cosφ приблизительно равен 0,83, применение возможно только в параллельной конфигурации (комплексе)

+

6

12-импульсный + фильтр 5, 7, 11, 13-й гармоник

2,4

Подавление 5, 7, 11, 13,17,19,29,31-й,... гармоник, гальваническая изоляция, входной cosφ приблизительно равен 1

Наибольшая стоимость

+ +

Примечание. Знаки +, + +, + + + означают степень пригодности выпрямителя для совместной работы с ДГУ.

Если в оборудование включается дизель-генераторная установка, необходимо придерживаться следующих правил:

1. Переходная реакция  генератора (расчетная величина, характеризующая сопротивление генератора в начале переходного процесса, которая указывается в каталожных данных на генератор) должна иметь величину порядка 10...35% от номинального значения индуктивного сопротивления генератора. Это делает удобным управление генератором при минимальной величине  так как искажения напря­жения, вызываемые токами гармоник выпрямителя, напрямую зависят от этой ве­личины.

2. ИБП должен иметь конфигурацию, обеспечивающую минимум вносимых ис­кажений, так как значительные искажения могут являться причиной неправильной работы регулятора напряжения генератора, что приводит к нестабильности и неудовлетворительному регулированию.

3. Необходимо подавлять токи гармоник, вызывающие добавочные потери и яв­ляющиеся причиной перегрева обмоток генератора, или увеличивать мощность ге­нератора.

4. Нежелательно подавлять токи гармоник на генераторе при помощи главного (единого) фильтра, так как это может явиться причиной резонансных явлений, ко­торые могут влиять на регулятор генератора и вызывать перенапряжение на выходе (в некоторых случаях — до 500 В). Лучшим решением при этом является примене­ние 12-импульсного двойного мостового выпрямителя.

5. Необходимо принимать во внимание также мощность и характер других на­грузок, которые могу быть также присоединены к генератору.

Если номинальная мощность генератора, предназначенного для работы на вы­прямитель, соизмерима с мощностью выпрямителя, то вводится повышающий ко­эффициент, зависящий от модели и конфигурации ИБП и типа двигателя. Этот по­вышающий коэффициент показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощ­ность ДГУ по сравнению со случаем работы на нагрузку без гармонических иска­жений. Диапазон значений повышающего коэффициента лежит в пределах 1,05... 1,3. Если генератор обеспечивает электроснабжение также и других нагрузок (нагрузок, не вносящих искажения), то его мощность должна быть равна мощности других нагрузок, плюс мощность выпрямителя ИБП, умноженная на повышающий коэффициент.

В табл. 4.2 приводятся сведения о выпрямителях, применяемых в ИБП типа двойного преобразования, которые следует учитывать при выборе конфигурации для совместной работы ДГУ и ИБП. Первые три позиции конфигураций 6-импульс-ных выпрямителей с фильтрами не подходят для совместной работы из-за высокого уровня искажений и ёмкостного характера нагрузки, которую представляет ИБП для ДГУ. Позиции с четвертой по шестую в разной степени пригодны для совмест­ной работы. Следует обратить внимание на то, что квази-12-импульсный выпрями­тель на самом деле не является опцией одного ИБП, а составлен из двух различных конфигураций ИБП, входящих в параллельный комплекс.

На практике наиболее часто используется конфигурация ИБП с 12-импульсным выпрямителем, вне зависимости от того, входит он в параллельный комплекс или нет. Справедливо также напомнить, что ИБП с дельта-преобразованием не требуют проверок на совместимость с ДГУ.

Для работы в режиме малых нагрузок проектом должны быть предусмотрены специальные технические мероприятия по обеспечению достаточной нагрузки двигателя. К таким мерам относятся неотключаемые нагрузки, обеспечивающие необходимую мощность потребления от ДГУ, или специальные реостаты. Воз­можна утилизация энергии, идущей только на поддержание минимально допусти­мой нагрузки. Например, она может использоваться для нагрева воды теплонагревающими элементами и ее последующего использования для хозяйственных нужд потребителя.

Дизель-генераторные установки, согласно ГОСТ 13822-82 «Электроагрегаты и передвижные электростанции, дизельные. Общие технические условия (с изме­нениями 1989 г.)», должны эксплуатироваться с нагрузкой, cosφ которой не дол­жен быть меньше значения 0,8, при этом характер нагрузки должен быть индук­тивным. Работа ДГУ на емкостную нагрузку не рекомендуется. При выборе ДГУ необходимо представлять характер наброса нагрузки при переходе в автономный режим. Дизели с двойным турбонаддувом мгновенно могут принять нагрузку не более 55% номинальной мощности. Это означает, что ДГУ мощностью Рдгу— Рибп/0,55 = 1,82 Рибп при отсутствии потребителей группы В будет работать со значительной недогрузкой.

Недогрузка ДГУ помимо неэффек­тивного использования установленной мощности вызовет ранее упоминавшееся коксование цилиндров. С подобным недостатком можно мириться, если требуе­мая скорость переключения ИБП на ДГУ становится важным параметром ком­плексной системы СГЭ-СБЭ, поскольку ДГУ с турбонаддувом имеет минималь­ное время выхода на номинальные значения частоты и напряжения.

Поскольку суммарная потребляемая мощность параллельного комплекса ИБП (т.е. мощность на входе ИБП) может увеличиваться при наращивании количества рабочих мест, то при расчете мощности ДГУ учитывается суммарная потребляемая мощность для всех ИБП, подключенных к выходу ДГУ и работающих в режиме полной нагрузки и заряда аккумуляторных батарей, а также дополнительного обо­рудования (нагрузка группы В).

Исключить нежелательное увеличение мощности ДГУ из-за ограничений при мгновенном набросе мощности можно, если ИБП будет нагружать ДГУ по­степенно, плавно или ступенями. Это возможно при «мягком» (soft-start) пуске выпрямителя ИБП. В этом случае нагрузка к генератору (и, следовательно, к ди­зелю) будет прикладываться за некоторый промежуток времени, достаточный для уверенного выхода дизеля на режим полной нагрузки. На рис. 4.14 по­казана диаграмма пуска выпрямителей системы из трех параллельных ИБП при переходе СГЭ в автономный режим. Особенностью режима работы системы яв­ляется задержка на включение заряда АБ. Задержка устанавливается программи­рованием ИБП при его инсталляции и позволяет снизить на 10% величину наброса нагрузки.

Рис. 4.14. Диаграмма плавного перехода ИБП на питание от ДГУ

 

Расчет мощности ДЭС для совместной работы с ИБП осуществляется в сле­дующей последовательности:

1. Определяются технические данные и свойства ИБП, который планируется ис­пользовать совместно с ДГУ:

- мощность; -КПД;

- коэффициент мощности ИБП;

- коэффициент нелинейных искажений (табл. 4.2);

- способность плавной (ступенчатой) нагрузки ДГУ;

- мощность заряда АБ;

- возможность задержки заряда АБ.

2. Рассчитывается мощность ДГУ (Рдгу) для ДГУ без турбонаддува:

Рдгу= m×1/р × (РИБП/ŋ + Рзар АБ) + Рв,

где m — повышающий коэффициент (в соответствии с документацией); ŋ — КПД ИБП; Рзар АБ — мощность заряда АБ; Рв — мощность нагрузок группы В; р — коэф­фициент, учитывающий снижение нагрузочной способности ДГУ при коэффициен­те мощности ИБП менее 0,8.

3. Расчет мощности ДГУ для случая плавного пуска ИБП, независимо от типа двигателя ДГУ, производится по предыдущей формуле.

4. Расчет мощности ДГУ (Рдгу) для случая наброса нагрузки от ИБП скачком на ДГУ с турбонаддувом осуществляется по формуле

Рдгу = 1,82×(РИБП/ŋ + Рзар АБ) + Рв

Мощность Рв определяется из выражения

РВ= 1,82 × (РИБП /ŋ + Рзар АБ) - 1,25 × 1/р × (РИБП /ŋ + Рзар АБ).

5. Расчет мощности ДГУ для случая наброса нагрузки от ИБП скачком на ДГУ с турбонаддувом и заряда АБ с задержкой осуществляется по формуле

Рдгу=1,82×РИБП/ŋ + Рв.

Мощность нагрузок группы В определяется из выражения

РВ= 1,82 × РИБП /ŋ — 1,25 × 1/р × (РИБП /ŋ + Рзар АБ).

6. Мощность ДГУ с учетом потерь в сетях и расходов электроэнергии на собст­венные нужды определяется по формуле

Рдгу расч = Рдгу Кпот / КСН,

где Кпот =1,1 — коэффициент, учитывающий потери мощности в сетях 0,4 кВ; КСН =0,95...0,97 — коэффициент, учитывающий расход электроэнергии на собствен­ные нужды.

Данные формулы приводятся для случаев, когда пусковые токи электроприем­ников группы В невелики и существенно не влияют на условия приема нагрузки дизель-генераторной установкой.

 

 






Эта статья взята с сайта ElectroMaster - электрика и сантехника .65
http://electromaster.ru

URL этой статьи:
http://electromaster.ru/article.php?storyid=386