Функция регулятора напряжения и параллельная работа генераторов

Основная функция регулятора напряжения — поддержание стабильного и точного напряжения генератора при отсутствии нагрузки и при колебаниях нагрузки. При параллельной работе генераторов требуется схема параллельной компенсации, чтобы помочь регуляторам напряжения управлять распределением реактивной мощности между генераторами.

Несбалансированность реактивной мощности между генераторами может возникать, когда регулятор напряжения изменяет возбуждение генератора из-за изменений нагрузки, скорости первичного двигателя, температурных перепадов и других факторов.

Эти изменения возбуждения могут привести к значительным циркулирующим токам между генераторами (Рисунок 20). Генератор с более высоким возбуждением пытается передать мощность генератору с более низким возбуждением, заставляя его выровнять выходное напряжение.

Рисунок 20: Циркулирующие токи

Схема параллельной компенсации регулирует АРН, увеличивая возбуждение у генератора с меньшим возбуждением и уменьшая его у генератора с большим возбуждением. Таким образом, устраняются нежелательные циркулирующие токи.

Аналогия давления воды

Если два водопровода одинакового диаметра подают воду в один общий трубопровод, то при равном давлении оба подают равное количество воды (Схема 21A). Если давление в одной трубе падает, вторая компенсирует это увеличением потока (Схема 21B).

Рисунок 21: A - Равное давление. B - Неравное давление

Компенсация реактивного провала и дифференциальная реактивная компенсация

Существуют два основных типа параллельных компенсационных схем:

1. Реактивная компенсация провала (droop compensation) — наиболее часто используемая.
2. Дифференциальная реактивная компенсация (crosscurrent compensation).

Реактивная компенсация провала

Каждая схема работает независимо. Типичная схема включает трансформатор тока и модуль параллельного соединения с резистором нагрузки и переключателем (Рисунок 22, 23, 24).

Рисунок 22: Реактивная компенсация провала

Вторичная обмотка трансформатора тока подключается к резистору нагрузки, и на этом резисторе индуцируется напряжение, пропорциональное току в линии. Это напряжение векторно добавляется к линейному напряжению для создания сигнала ошибки.

Рисунок 23: Модуль параллельного соединения

Рисунок 24: Нагрузочный резистор

Чтобы не создавать сигнал ошибки при нагрузке с единичным коэффициентом мощности, напряжение на резисторе должно быть сдвинуто по фазе на 90° по отношению к системному напряжению (Рисунок 25).

Рисунок 25: Формирование сигнала ошибки трансформатора тока

AVR TAIYO

Сигнал ошибки, создаваемый на нагрузочном резисторе трансформатора тока, должен быть подан таким образом, чтобы при работе нагрузки с единичным коэффициентом мощности не возникало корректирующего сигнала. Это предотвращает ненужные изменения возбуждения генератора из-за нагрузки. Путём настройки напряжения на нагрузочном резисторе на сдвиг в 90 электрических градусов относительно системного напряжения при работе генератора с единичным коэффициентом мощности можно получить соответствующий сигнал ошибки. Рисунок 25 иллюстрирует векторное соотношение между системным напряжением и напряжением на нагрузочном резисторе, необходимое для формирования такого сигнала.

В трёхфазной системе фазные напряжения (линия–нейтраль) — независимо от внутренних соединений — смещены на 120 электрических градусов относительно друг друга. Используя это фазовое смещение, можно считывать системное напряжение между фазами, формируя линейное напряжение, сдвинутое на 30 электрических градусов относительно фазного. При единичном коэффициенте мощности (резистивные нагрузки) сигнал напряжения с нагрузочного резистора трансформатора тока будет смещён на 90 электрических градусов относительно линейного напряжения (Рисунок 26А).

Рисунок 26: Фазовое смещение

При единичном коэффициенте мощности векторная диаграмма (Рисунок 26B) показывает, что напряжение на нагрузочном резисторе (VB) и измеряемое напряжение (Vac) смещены на 90 электрических градусов. При подключении реактивной нагрузки вектор напряжения нагрузочного резистора смещается либо по, либо против часовой стрелки в зависимости от типа нагрузки — ёмкостной или индуктивной.

Рисунок 27: Векторная диаграмма ёмкостной нагрузки

Если генератор работает с опережающим коэффициентом мощности (ёмкостная нагрузка), вектор напряжения нагрузочного резистора поворачивается против часовой стрелки от положения при единичном коэффициенте мощности (Рисунок 27). В результате угол между линейным напряжением и напряжением на нагрузочном резисторе увеличивается, что уменьшает управляющее напряжение регулятора. Это вызывает увеличение возбуждения генератора.

Рисунок 28: Векторная диаграмма индуктивной нагрузки

Когда генератор работает с отстающим коэффициентом мощности (индуктивная нагрузка), вектор напряжения на нагрузочном резисторе поворачивается по часовой стрелке от положения при единичном коэффициенте мощности (Рисунок 28). Это приводит к сближению фаз напряжения, увеличивая управляющий сигнал регулятора, что приводит к снижению возбуждения генератора.

Модуль синхронизации подаёт сигнал ошибки на регулятор напряжения, который регулирует уровень возбуждения генератора. При параллельной работе генераторов регулятор фиксирует небольшое увеличение управляющего сигнала и снижает возбуждение обмотки генератора, вызывая падение напряжения на его выходе (эффект "droop").

Степень снижения напряжения может быть скорректирована с помощью нагрузки резистора и отношения трансформации трансформатора тока. Типичный нагрузочный резистор имеет сопротивление 1 Ом и снабжён подвижным контактом для регулировки напряжения. Сигнал ошибки зависит как от величины, так и от векторного угла напряжения на резисторе, которое формируется вторичным током трансформатора. Стандартные трансформаторы тока рассчитаны на вторичный ток 5 ампер и нагрузку до 25 ВА. Согласно закону Ома (U = I × R), максимальное напряжение на резисторе составляет 5 В. Это примерно 5% от выходного напряжения системы (например, 120/208В, 240/416В, 480/600В), что минимизирует паразитные токи (циркулирующие токи).

При параллельной работе генераторов с компенсацией реактивного тока большинство систем настраивается на максимальное снижение (droop). Резистор устанавливается на максимальное сопротивление для получения максимального напряжения на нём. Это обеспечивает лучший контроль паразитных токов. Если снижение напряжения меньше 3%, регулятор и система синхронизации могут не справляться с регулированием паразитных токов.

Однофазные регуляторы обеспечивают до 8% снижения, тогда как трёхфазные — около 6%. Это связано с тем, что при однофазном контроле ошибка в процентном соотношении выше по сравнению с трёхфазным контролем. При параллельной работе генераторов с разными типами измерения необходимо скорректировать нагрузочный резистор.

Поскольку напряжение на резисторе зависит от линейного тока генератора, изменение коэффициента мощности нагрузки влияет на напряжение. При увеличении отстающего коэффициента мощности напряжение на шине снижается. При увеличении опережающего — наоборот, повышается. Степень колебаний зависит от величины и коэффициента мощности нагрузки.

Для предотвращения флуктуаций напряжения используется альтернативная схема, в которой трансформаторы тока регуляторов соединяются между собой. Этот метод называется компенсацией перекрёстного тока (или реактивной дифференциальной компенсацией) и позволяет генераторам работать параллельно без провала напряжения.

Рисунок 29: Реактивная дифференциальная компенсация (два генератора в параллель)

На генераторе 1 поляризованный вывод трансформатора тока CT1 соединяется с неполяризованным выводом CT2 генератора 2. Аналогично, поляризованный вывод CT2 генератора 2 соединяется с неполяризованным выводом CT1 генератора 1. Такая конфигурация обеспечивает корректную компенсацию и стабильность напряжения в системе.

Несмотря на то, что речь идёт об переменном токе, для лучшего понимания работы замкнутого контура перекрёстного тока можно воспользоваться анализом на постоянном токе. Полярность трансформаторов указывает направление тока: ток линии входит в полярный вывод генератора, а из полярного вывода трансформатора ток выходит (Рисунок 30).

Рисунок 30: Нагрузочный резистор

Ток, выходящий из полярных выводов трансформаторов, делится на два пути: один идёт через нагрузочный резистор в модуле синхронизации, другой — через контур перекрёстного тока. Ток в перекрёстном контуре входит в резистор соседнего генератора и противодействует току от его собственного трансформатора. В результате токи компенсируют друг друга, напряжение на резисторе отсутствует, и провал напряжения не возникает.

AVR TAIYO

AVR TAIYO

Если один из генераторов берёт на себя больше реактивной нагрузки, ток линии возрастает, увеличивая ток во вторичной обмотке трансформатора. Это вызывает рост напряжения на нагрузочном резисторе, что заставляет регулятор снизить возбуждение, уменьшая ток. 

Увеличение тока в перекрёстном контуре создает противоположное напряжение на резисторе второго генератора, которое компенсирует его собственное. Это регулирует напряжение, удерживая баланс в системе.

Параллельная работа трёх генераторов TAIYO (PMS BEMAC UGS-21) (видео)

Автоматическое распределение нагрузки между параллельно работающими генераторами TAIYO (PMS BEMAC UGS-21) (видео)

Для корректной работы схемы компенсации перекрёстного тока все трансформаторы тока генераторов, подключённых к общей шине, должны быть объединены в единый контур. Все трансформаторы должны иметь одинаковые коэффициенты трансформации для равного тока, обеспечивая надёжную компенсацию. При параллельной работе генераторов разной мощности необходимо согласовывать трансформаторы по току.

Кроме того, у всех генераторов должны быть одинаковые настройки нагрузочного резистора в цепях регулятора. Это гарантирует, что при нарушении баланса ток в перекрёстном контуре создаёт пропорциональное напряжение на каждом резисторе, обеспечивая равномерное распределение реактивной нагрузки.

Рисунок 31: Реактивная дифференциальная компенсация

Для корректной работы все генераторы должны быть подключены к перекрёстному контуру. Параллельная работа с "бесконечной" шиной (сетью) практически невозможна. Если в контуре перекрёстного тока будет разомкнут контакт, все генераторы перейдут в режим работы с провалом напряжения.

Для соблюдения норм безопасности необходимо заземлить вторичную обмотку трансформатора тока, но только в одной точке. Иначе произойдёт короткое замыкание (Рисунок 31).

Между цепями измерения регулятора и трансформатора тока должна быть гальваническая развязка. Это достигается с помощью изолирующих трансформаторов, которые эффективно отделяют контур перекрёстного тока от входной цепи регулятора.

Статьи про автоматический регулятор напряжения и параллельную работу генераторов:

1. Автоматический регулятор напряжения и параллельная работа генераторов. Понижение напряжения (Voltage Droop)
2. Автоматический регулятор напряжения. Активная мощность, Реактивная мощность, Полная мощность. кВт, кВАр, кВА
3. Функция регулятора напряжения и параллельная работа генераторов
4. Блок трансформатора тока – переключатель "Unit – Parallel". Работа генераторов разной мощности в параллели
5. Проверка и устранение неисправностей цепи реактивной компенсации регулятора напряжения (AVR) в изолированной шине переменного тока
6. ACB Trouble. Генератор не садится на шины
7. Что такое Voltage Droop автоматического регулятора напряжения? Настройка AVR с droop
8. Регулирование активной и реактивной нагрузки параллельно работающих генераторов
9. Почему у параллельно работающих генераторов разные токи нагрузки (при равных напряжених и нагрузках)?
10. Как регулировать реактивную нагрузку (мощность) на параллельно работающих генераторах?