Методы распределения нагрузки между параллельно работающими агрегатами
При работе нескольких генераторных агрегатов на общую судовую сеть необходимо решать задачу распределения нагрузок между ними. Применительно к генераторным установкам переменного тока эта задача осложняется тем, что распределение нагрузки между генераторами должно осуществляться при сохранении постоянства частоты тока сети.
Известно несколько методов решения этой задачи в зависимости от возможностей регуляторов частоты вращения первичных двигателей и требований к качеству электроэнергии.
Метод статических характеристик - наиболее простой метод распределения активной нагрузки между параллельно работающими генераторными агрегатами, оборудованными только регуляторами частоты вращения первичных двигателей.
Среди первичных двигателей судовых генераторных агрегатов переменного тока наиболее широко используются дизель-генераторные агрегаты (ДГ). Сам по себе дизель-генератор, оснащенный регулятором частоты вращения (РЧВ), работает по регуляторной характеристике.
Регуляторная характеристика – зависимость частоты вращения n (об/мин), развиваемой коленчатым валом двигателя, от мощности Р (kW), вырабатываемой двигателем.
Поскольку одним из важнейших параметров, который должен строго соблюдаться судовым ДГ, является частота переменного тока, выдаваемого синхронным генератором (или проще – частота вращения коленчатого вала дизеля), то на первый взгляд кажется, что ДГ работает при строго постоянной частоте вращения во всем диапазоне нагрузок. Но на самом деле (если рассматривать параллельную работу двух и более источников переменного тока), последнее утверждение неверно.
Для обеспечения параллельной работы ДГ, каждый из приводных дизелей должен работать по регуляторной характеристике, имеющей некоторый наклон. Другими словами, частота вращения дизеля не будет поддерживаться регулятором строго постоянной во всем диапазоне нагрузок ДГ. В реальной жизни наклон регуляторной характеристики дизеля выглядит следующим образом: чем сильнее Вы будете нагружать ДГ, тем будет меньшая частота переменного тока (частота вращения коленчатого вала).
Кроме всего вышесказанного на параллельную работу ДГ влияют такие факторы как зона нечувствительности РЧВ и нелинейности в характеристиках работы различных узлов ДГ в целом. Такие факторы зависят от конструкции, принципа действия, качество сборки и монтажа регуляторов частоты вращения, от технического состояния приводных органов РЧВ (шестерни, приводные валики, подшипники и т.д.), от люфтов, зазоров, подвижности различных передающих органов (рычаги, топливные рейки, поводки каждого из ТНВД и т.д.) и др. Влияние данных факторов мы рассматривать не будем.
Отметим, что, говоря о распределении нагрузок между параллельно работающими ДГ, мы имеем в виду именно распределение активной мощности, т.е. мощности, которую механик в состоянии визуально контролировать на соответствующей секции ГРЩ по киловаттметру.
Наклон регуляторной характеристики обусловлен таким важным свойством регулятора, как статизм.
Графически статизм в работе автоматической системы регулирования можно представить так, как показано на рис. 1. На этом рисунке изображена зависимость n(P), называемая статической характеристикой системы автоматического регулирования. Как видно из данной характеристики, при нулевой нагрузке (Р = 0 kW – холостой ход) частота вращения дизеля n = n0 – частоте вращения холостого хода ДГ. По мере увеличения нагрузки на ДГ от 0 до Рмах (т.е. до 100%) частота вращения дизеля n будет, грубо говоря, “проваливаться”, т.е. изменяться (падать) по наклонной характеристике от n0 до n1 (n1 – частота вращения ДГ при 100% нагрузке).
Рис. 1
Разность значений частоты вращения Dn = n0 – n1 в установившемся режиме, замеренная при нулевой и полной нагрузках, называется статической ошибкой регулирования, либо зоной неравномерности автоматической системы, либо просто статизмом.
В реальной жизни различные генераторные установки работают при различных значениях частоты холостого хода (от 350 об/мин до нескольких тысяч), следовательно, для каждой из них и Dn будет различно. Для качественной оценки величины статизма в технических стандартах (как в отечественных так и в зарубежных) введено единое понятие – степень неравномерности (в англоязычной технической литературе – SPEED DROOP).
Степень неравномерности определяется отношением величины зоны неравномерности Dn к величине частоты вращения холостого хода n0 Степень неравномерности d обычно для удобства определяется в %:
d = (Dn / n0) · 100%
При помощи d можно задать определенный тип настроек регуляторов на дизелях, при которых будет обеспечиваться безопасная параллельная работа ДГ, и изменения частоты тока в сети не будут выходить за установленные нормы.
Согласно требованиям Регистра СССР, степень неравномерности РЧВ, установленных на ДГ, должна соответствовать d = 3% (+/-0,5 . Например, если Ваш ДГ работает при n0 = 500 об/мин, то при полной нагрузке его частота вращения будет составлять n1 = 485 об/мин (+/- 2.5) об/мин.
Если статизм настроен на РЧВ главного двигателя (например, два ГД работают каждый на свой винт изолированно, либо на один общий винт, либо просто один ГД с одним винтом), то по Регистру СССР, степень неравномерности такого РЧВ может достигать 15–20 %.
Для иллюстрации параллельной работы ДГ рассмотрим пример работы двух ДГ с одинаковыми характеристиками: частота вращения холостого хода первого и второго равна соответственно n10, n20; n10=n20; P1max = P2max; статизм у обоих регуляторов ДГ одинаковый (см. рис. 2).
Рис. 2
Как видно из рисунка 2 при одинаковом статизме регуляторов ДГ максимальная суммарная мощность Pе = P1max + P2max и будет распределяться между ДГ равномерно, а частота вращения n будет равна n21 = n11.
При изменении статизма регулятора активная мощность будет распределяться таким образом, что наиболее нагруженным окажется тот ДГ у которого наклон характеристики n(P) будет меньшим, при условии что частота вращения холостого хода у обоих ДГ одинакова (см. рис. 3).
Рис. 3
В данном случае наклон характеристики n(P) у первого ДГ меньше и соответственно P1 > P2. Pе = P1 + P2, частота вращения обоих ДГ равна n.
При разных частотах вращения холостого хода параллельно работающих ДГ и нулевом статизме всю нагрузку на себя возьмет ДГ с большим n0, а ДГ с меньшей ЧВ холостого хода будет работать в двигательном режиме. Поэтому для параллельной работы используются двигатели со статическими регуляторами.
Использование астатических (Dn) регуляторов в параллельно работающих ДГ невозможно.
При постоянной нагрузке можно добиться её равномерного распределения между параллельно работающими ДГ при помощи изменения частоты вращения холостого хода n0, но при изменении величины нагрузки её распределение будет снова неравномерным.
На сегодняшний день на судах в щитах ГРЩ установлены специальные автоматические устройства распределения активной мощности между параллельно работающими ДГ. Если нагрузка на судовую электросеть постоянна, то данные специальные автоматические устройства могут добиться ее равномерного распределения между параллельно работающими ДГ при помощи корректировки частоты вращения холостого хода n0 на каждом регуляторе обоих ДГ. Однако как только величина нагрузки на судовую электросеть изменится (включат насос, компрессор, брашпиль, выключат кондиционер и т.д.), распределение этой нагрузки между ДГ вновь станет неравномерным (т.к. неодинаково настроен статизм обоих регуляторов) и снова автоматические устройства начнут корректировать холостой ход на регуляторах.
Внимание! В данном случае следует учесть, что процесс корректировки холостого хода автоматическими устройствами занимает 10 - 15 секунд, и за это время характер перераспределения нагрузки между ДГ может при вести либо к перегрузке одного из ДГ (со срабатыванием защиты), либо к переходу одного из ДГ в двигательный режим (со срабатыванием реле обратной мощности). В обоих случаях последствия малоутешительны.
На примере гидромеханического регулятора частоты вращения WOODWARD UG - 8 можно продемонстрировать возможности настройки регулятора, выведенные на его лицевую панель.
1 - SYNCHRONIZER - маховичок изменения частоты вращения холостого хода. Данная ручка аналогична рычажку "больше - меньше" на панели ГРЩ, с которой ведется управление данным ДГ.
2 - SPEED DROOP - маховичок изменения степени неравномерности d (статизма), с которой регулятор будет поддерживать установленную частоту холостого хода дизеля. Шкала этого настроечного органа оцифрована в относительных единицах и цифры, выбитые на ней, не имеют ничего общего с конкретным значением степени неравномерности, требуемым Регистром. Как уже говорилось ранее, чем выше на данном регуляторе установлена величина степени неравномерности, тем меньшую (при прочих равных условиях) нагрузку берет на себя данный дизель и тем меньше данный дизель склонен к перегрузке.
3 - LOAD LIMIT - маховичок ограничения максимальной нагрузки Рмах, которую способен нести данный дизель. Реально действие этого ограничительного органа отображается уменьшением максимального хода топливной рейки дизеля. Шкала также оцифрована в относительных единицах от максимально полного хода топливной рейки.
рис. 4
Задание: На следующем примере, при помощи изменения таких параметров, как:
суммарная мощность потребителей электроэнергии судовой электростанции;
степень неравномерности (статизм) , с которой работают регуляторы дизелей;
частота вращения дизеля на холостом ходу;
максимальная нагрузка Рмах, которую способен нести каждый из дизелей,
посмотрите, каким образом будет происходить распределение (перераспределение) нагрузки между параллельно работающими ДГ.