СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОДНОЙ ИЛИ НЕСКОЛЬКИМИ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРНЫМИ УСТАНОВКАМИ
METHOD TO CONTROL ONE OR SEVERAL POWER GENERATOR PLANTS

Изобретение относится к области автоматического управления электрическими генераторами на базе двигателей внутреннего сгорания и может использоваться в энергетических комплексах электроснабжения потребителей.
Известны система и способ командного управления несколькими турбогенераторами (патент США US 6,664,653 В1, МПК F02N 11/06, Н02Р 9/04, Н02К 23/52, 06.12.2003), включающая несколько турбогенераторов, двунаправленный ваттметр, несколько размыкающих переключателей, главный контроллер, распределительный щит, реле времени и шину командного управления. Главный контроллер подсоединен через шину командного управления к каждому из контроллеров турбогенераторов и к двунаправленному ваттметру и производит пуск, останов, регулирование мощности каждого из нескольких отдельных турбогенераторов с автоматическим перезапуском в случае останова по неисправности в выбранном режиме управления.
Данная известная система и способ отличается надежностью и экономической эффективностью при работе параллельно с сетью в режиме следования за нагрузкой, когда доля питания от сети поддерживается на нулевом уровне. Недостатком данной системы и способа является возникновение перетока мощности во внешнюю питающую сеть при отключении одного или нескольких потребителей в тот момент, когда установочная мощность отключаемых потребителей превышает значение мощности, потребляемой из сети. Интервал времени перетока мощности в сеть может составлять до нескольких десятков секунд или минут. Таким образом, данную известную систему и способ нельзя применять на тех объектах, где по техническим требованиям не допускается переток мощности в сеть, например в энергосистемах, где суммарная мощность электрических генераторов внешней питающей сети сравнима или близка к суммарной мощности электрогенераторных установок, что может привести к неустойчивости всей системы электроснабжения в целом.
Известна многоагрегатная система выработки электроэнергии, работающая как в островном (изолированном от внешней питающей сети) режиме, так и параллельно с внешней питающей сетью (патент США №7,122,916 В2, кл. H02J 3/04 (2006.1), состоящая из нескольких параллельно работающих электрогенераторов, системы переключения между островным режимом и параллельной работой с внешней сетью, включающей в себя измеритель мощности и необходимые коммутационные элементы, системы управления, осуществляющей управление электрогенераторами и системой переключения, коммуникационной шины, объединяющей систему управления с каждым отдельным электрогенератором, коммуникационной шины синхронизации, объединяющей между собой электрогенераторы и набор шин ввода/вывода для задания внешних командных воздействий от локального либо удаленного оператора. В данной известной системе используют сигнал вырабатываемой мощности электрогенераторных установок и сигнал о потребляемой мощности из внешней питающей сети для регулирования числа работающих электрогенераторов и вырабатываемой мощности в зависимости от заданного режима работы. Недостатком данной известной системы также является возникновение обратного перетока мощности в режиме параллельной работы с сетью, когда установочная мощность отключаемых потребителей превышает значение мощности, потребляемой из сети. В способе управления такой системой не предусмотрено устранение данного недостатка.
Также известны системы управления дизель-генераторными, газо-поршневыми и турбо-генераторными установками, работающими изолированно от сети в островном режиме, вырабатывающими электрическую энергию [MSLC/DSLC, http://woodward.com; InteliGen и InteliSys-NT, http://comap.cz]. Максимально возможный одномоментный наброс нагрузки для данных систем составляет не более 25-30 процентов от номинальной мощности установки, что связано с конструктивными особенностями двигателей внутреннего сгорания. Это приводит к необходимости завышения единичной установочной мощности электрогенераторов и соответственно излишним экономическим затратам.
Наиболее близким из перечисленных аналогов является способ управления несколькими турбогенераторами, работающими, в том числе, в режиме следования за нагрузкой (патент США №6,664,653), который выбран в качестве прототипа.
Реализованный в данной системе способ командного управления в режиме следования за нагрузкой осуществляется следующим образом. При режиме работы следования за нагрузкой сети сравнивают значение мощности нагрузки с вырабатываемой мощностью всеми электрогенераторными установками, далее полученный сигнал рассогласования (ошибки) интегрируют на заданном интервале времени и затем используют для формирования управляющего сигнала на изменение мощности генерации электрогенераторов, при этом производят сравнение мощности генерации каждой электрогенераторной установкой с заранее заданными граничными значениями, при мощности генерации выше или ниже заданных значений производят соответственно подключение либо отключение одной или нескольких электрогенераторных установок в зависимости от наработки. Режим работы изолированно от внешней питающей сети в данном способе не представлен.
Недостатком данного известного способа является отсутствие управляющих воздействий на возникающий переток мощности во внешнюю питающую сеть при отключении одного или нескольких потребителей в тот момент, когда установочная мощность отключаемых потребителей превышает значение мощности, потребляемой из сети, что вынуждает поддерживать значение потребляемой мощности из сети на уровне мощности наибольшего потребителя в тех случаях, когда переток мощности в сеть недопустим. Это приводит к неустойчивой работе всей системы в целом.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности электроснабжения потребителей за счет повышения эффективности управления системой электрогенераторов.
Технический результат заявляемого способа выражается в повышении эффективности управления системой электрогенераторов при работе в режимах, при которых может возникнуть неустойчивое состояние системы электроснабжения.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе управления одной или несколькими электрогенераторными установками, при котором измеряют мощность нагрузки, измеряют мощность, вырабатываемую электрогенераторами, определяют разность мощностей электрогенераторов и нагрузки, полученное значение используют для формирования сигнала регулирования мощности как управляющего воздействия на изменение мощности электрогенераторных установок, управление осуществляют либо в режиме работы параллельно с внешней питающей сетью, либо в режиме работы изолированно от сети, при этом в режиме работы параллельно с внешней питающей сетью при формировании сигнала регулирования мощности используют сигнал запроса на отключение одного или нескольких потребителей, по которому от определенной ранее разности мощностей электрогенераторов и нагрузки вычитают значения мощностей отключаемых нагрузок, дополнительно вычитают значения мощностей отключаемых нагрузок, при этом при равенстве мощности внешней питающей сети и общей мощности отключаемых потребителей формируют управляющий сигнал на отключение запрошенных потребителей, а при понижении значения мощности из сети менее заданного значения производят подключение балластных сопротивлений с последующим плавным снижением мощности балласта, в режиме работы изолированно от сети при формировании управляющего воздействия используют сигнал запроса на подключение одного или нескольких потребителей, определяют добавочную мощность как значение мощностей подключаемых потребителей и формируют сигнал на плавное подключение балластных сопротивлений со скоростью не более заданного значения, при равенстве мощности на балластных сопротивлениях и добавочной мощности производят отключение балластных сопротивлений и подключение запрошенных потребителей.
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации заявляемая совокупность признаков не была обнаружена, что позволяет считать данное техническое решение, соответствующим критерию «новизна». При введении отличительных признаков общая совокупность существенных признаков способа позволяет организовать управление системой электрогенераторов таким образом, чтобы исключить неустойчивое состояние системы, возникающее при работе в режимах, параллельно с внешней питающей сетью или изолированно от нее, и вызванное обратным перетоком мощности во внешнюю питающую сеть или одномоментным набросом нагрузки.
На фиг.2 представлена структурная схема системы для осуществления заявляемого способа управления. На фиг.2 показаны:
1 - внешняя питающая сеть;
2 - сетевой выключатель;
3 - шина питания потребителей;
4 - выключатели потребителей;
5 - потребители (нагрузка);
6 - групповой выключатель электрогенераторных установок;
7 - выключатели электрогенераторов;
8 - электрогенераторы;
9 - цифровой измеритель мощности;
10 - шина контроля сигнала мощности из сети;
11 - мастер-контроллер;
12 - шина управления мощности электрогенераторов;
13 - шина управления групповым выключателем электрогенераторов;
14 - шина контроля состояния сетевого выключателя;
15 - шина запроса на подключение/отключение потребителей;
16 - шина управления подключением/отключением потребителей;
17 - выключатель балластных сопротивлений;
18 - блок балластных сопротивлений;
19 - шина управления мощностью балластных сопротивлений.
Внешняя питающая сеть 1 (см. фиг.2) подключена через сетевой выключатель 2 к шине 3 питания потребителей, к которой через индивидуальные выключатели 4 подключены входы потребителей 5, через выключатель балластных сопротивлений 17 вход блока балластных сопротивлений 18, а также через групповой выключатель 6 электрогенераторов и индивидуальные выключатели 7 подключены выходы электрогенераторов 8. Первый и второй входы мастер-контроллера 11 подключены соответственно к выходу цифрового измерителя мощности 9 и к сигнальному контакту состояния сетевого выключателя 2. Третий вход мастер-контроллера 11 через шину запроса 15 подключен к выходам запроса включения/отключения потребителей 5, входы питания которых соединены через выключатели 4 потребителей с шиной 3 питания потребителей. Первый выход мастер-контроллера 11 подключен к входам управления электрогенераторов 8 по шине управления электрогенераторами 12, выходы которых через выключатели 7 соединены с групповым выключателем 6, подключенным к шине 3 питания потребителей и к внешней питающей сети. Второй выход мастер-контроллера 11 подключен к входу управления блоком балластных сопротивлений 18 через шину 19 управления мощностью балластных сопротивлений. Третий выход мастер-контроллера 11 подключен к управляющим цепям выключателей 4 потребителей и выключателя 17 блока 18 балластных сопротивлений через шину управления 16, а четвертый выход мастер-контроллера 11 подключен к цепям управления группового выключателя 6 через шину управления 13.
Все входящие в систему устройства являются известными из уровня техники. Мастер-контроллер 11 может быть выполнен на базе промышленного контроллера, например, серии IA-261 компании МОХА. Контроллер устанавливается в электротехническом шкафу шириной 600 мм, высотой 600 мм и глубиной 300 мм. Также в шкафу устанавливаются модули ввода/вывода, например серии I-7000 компании ICP-DAS, вспомогательное оборудование - источник бесперебойного питания с блоком аккумуляторных батарей, клеммы для подключения внешних соединений (шины 10, 12, 13, 15, 16 и 19 согласно фиг.2), переключатели для задания режимов работы мастер-контроллера, лампы или сенсорный дисплей для отображения текущего состояния мастер-контроллера. Цифровой измеритель мощности может устанавливается в непосредственной близости от сетевого выключателя. Для поддержания требуемой температуры внутри шкафа может устанавливается система автоматического подогрева воздуха, например серии HVL 031 компании STEGO.
Система, реализующая заявляемый способ управления одной или несколькими электрогенераторными установками, в соответствии с блок-схемой алгоритма по фиг.1, работает следующим образом.
Для определения разницы мощностей нагрузок и электрогенераторов используется измеритель мощности 9, с которого сигнал рассогласования мощности нагрузок и мощности электрогенераторов (согласно первому закону Кирхгофа) поступает по шине контроля мощности 10 в мастер-контроллер 11. Мастер-контроллер подключен к электрогенераторам 8 через шину управления мощностью генераторов 12, по которой производит регулирование вырабатываемой мощности электрогенераторов. Также мастер-контроллер подключен к управляющей шине 13, по которой производит отключение группового выключателя электрогенераторов при длительном перетоке мощности во внешнюю питающую сеть 1.
Сигнал о состоянии сетевого выключателя 2 поступает через шину контроля состояния сетевого выключателя 14 в мастер-контроллер 11, по которому определяют режим работы: изолированный или параллельно с сетью. От цифрового измерителя мощности 9 в мастер-контроллер поступает сигнал о мощности, протекающей через сетевой выключатель 2. Сигнал запроса на подключение или отключение потребителей поступает в мастер-контроллер через шину 15. Мастер-контроллер 11 вычисляет среднее значение мощности, протекающей через сетевой выключатель на заданном интервале, который, например, может быть в пределах от 20 миллисекунд до 3 секунд, таким же образом производится определение средней мощности, вырабатываемой электрогенераторами. Мастер-контроллер 11 производит регулирование мощности, вырабатываемой электрогенераторными установками 8, по шине управления 12 таким образом, чтобы мощность, протекающая через сетевой выключатель была равна нулю.
При поступлении запроса по шине 15 на подключение одного или нескольких потребителей 5 в режиме параллельной работы с сетью (при включенном сетевом выключателе 2) мастер-контроллер производит включение соответствующих выключателей 4 запрошенных потребителей 5. При поступлении запроса по шине 15 на включение одного или нескольких потребителей 5 в островном режиме (при отключенном сетевом выключателе 2) мастер-контроллер 11 определяет мощность подключаемых потребителей суммированием их мощностей, умноженных на коэффициент пускового тока каждого запрошенного потребителя: Рп=P1×K1+Р2×К2+Рn×Кn и далее производит плавное увеличение мощности Рб балластного сопротивления 18 от нуля до рассчитанного значения Рп в течение времени τ. Время τ определяется соотношением Рп/Vpг, где Vpг - суммарная скорость перестройки мощности всех работающих электрогенераторных установок. При достижении мощности балласта значения Рп, мастер-контроллер производит одновременное подключение выключателей 4 требуемых потребителей 5 и отключение балластного сопротивления 18. Изменение мощности балластной нагрузки производят широко известным методом тиристорного регулирования. В тех энергетических системах, где недопустимо появление высших гармонических составляющих напряжения и тока, возникающих при тиристорном регулировании, предлагается использовать метод комбинированного подключения наборных сопротивлений разной (неодинаковой) мощности, каждое из которых коммутируется быстродействующим электронным блоком управления. Мощность балласта с минимальным сопротивлением выбирается, исходя из требуемой точности регулирования общей мощности балласта. Мощность каждого последующего сопротивления выбирается с шагом, кратным двум от предыдущего. Например, возможен следующий ряд сопротивлений: 1 кВт, 2 кВт, 4 кВт, 8 кВт, 16 кВт, 32 кВт, 64 кВт, 128 кВт. В этом случае минимальное значение мощности составит 1 кВт, максимальное 255 кВт, а шаг регулирования 1 кВт. Коммутацию балластных сопротивлений производят в момент перехода кривой напряжения через ноль.
При поступлении запроса на отключение одного или нескольких потребителей 5 в островном режиме мастер-контроллер производит отключение выключателей 4 запрошенных потребителей 5. При поступлении сигнала на отключение одного или нескольких потребителей 5 в режиме работы параллельно с сетью мастер-контроллер производит расчет мощности отключаемых потребителей суммированием их мощностей: Рп=Р1+Р2+Рn и далее производит снижение мощности, вырабатываемой электрогенераторами до тех пор, пока мощность, протекающая через сетевой выключатель не станет равной Рп (по первому закону Кирхгофа), после чего мастер-контроллер производит отключение выключателей 4 запрошенных потребителей 5.
При снижении мощности Рс, протекающей через сетевой выключатель ниже нуля (возникновение обратного перетока мощности во внешнюю питающую сеть), которое может возникнуть при внеплановом внезапном отключении одного или нескольких потребителей, мастер-контроллер производит подключение балластных сопротивлений блока 18 мощностью, равной Рб=|Рс|×К, где Рс - значение мощности перетока в сеть, К - коэффициент запаса, который может быть, например, в пределах от 1,0 до 5,0. После подключения балласта 18, мастер-контроллер 11 производит плавное снижение мощности балластного сопротивления 18 до нуля в течение времени τ. Время τ определяется соотношением Рб/Vpг, где Vpг - суммарная скорость перестройки мощности всех работающих электрогенераторных установок. В течение времени τ электрогенераторные установки 8 перестраивают (уменьшают) генерируемую мощность по командам, поступающим от мастер-контроллера 11.
При длительном снижении мощности Рс, протекающей через сетевой выключатель ниже нуля более заданного времени t, мастер-контроллер производит отключение группового генераторного выключателя 6 по шине управления 13.