Книга адресована специалистам-гидроэнергетикам, персоналу гаэс, проектировщикам, преподавателям и студентам гидроэнергетических специальностей. Может быть полезна также специалистамэнергетикам

Рис. 17.1. Принципиальная схема каскадного пуска обратимых гидроагрегатов ГАЭС

2. 
   Мощность ВРД в схеме каскадного пуска может быть снижена до 3,5–5 % номинальной мощности электрической машины обратимого агрегата.
   
3. 
   Разгон обратимого агрегата мощностью порядка 220 МВт в каскаде может быть осуществлен за 130 с при максимальной величине пускового тока, не превышающей 15–20 % номинального тока электромашины.
   
4. 
   Своевременное размагничивание ВРД и возбуждение пускаемой электромашины обеспечивают плавное, но достаточно интенсивное перераспределение напряжений на машинах, работающих в каскаде, и спонтанное втягивание в синхронизм электромашины обратимого агрегата. При этом напряжение на ВРД практически может быть доведено до нуля, что облегчает условия его шунтирования.
   
5. 
   В качестве источника постоянного тока для размагничивания ВРД на завершающей стадии разгона может быть использована штатная система возбуждения электромашины обратимого агрегата.
   

В состав устройств каскадной системы пуска обратимого агрегата входят (рис. 17.1): пусковой реостат ПР разгонного двигателя; выключатель В2, предназначенный для шунтирования обмотки статора разгонного двигателя и одновременно для нулевых выводов обмотки статора пускаемой электрической машины (соединение в «звезду»); контактор К1, предназначенный для включения тока возбуждения электромашины обратимого агрегата; контактор К2 – для включения тока размагничивания ВРД; реостат R – для регулирования тока размагничивания ВРД.
Синхронный пуск обратимого агрегата собственной электромашиной по схеме «частотного пуска» может осуществляться при помощи другого обратимого агрегата, пускаемого в турбинный режим, СПЧ или обычного гидрогенератора, установленного на данной ГАЭС или на ГЭС, расположенной неподалеку и связанной с ГАЭС линией электропередачи, которая может быть использована для выполнения пусковых операций.
На современных ГАЭС часто используются комбинации этих вариантов, причем пуск от СПЧ, как правило, является основным способом, а взаимный пуск от соседнего обратимого агрегата (способ «спина к спине» или «back-to-back») или обычного гидроагрегата – резервным. Такая комбинация способов пуска является весьма рациональной, так как в обоих случаях используется одна и та же ПСШ.
В качестве примера можно привести ГАЭС Динорвиг (см. рис. 18.1, а). Для запуска любого из шести обратимых агрегатов данной ГАЭС в насосный режим применена частотная схема пуска с использованием одного из двух имеющихся на станции СПЧ (СПЧ-1 и СПЧ-2), которые питаются от двух силовых трансформаторов, присоединенных при помощи глухих отпаек к шинам генераторного напряжения 18 кВ блоков 1 и 6.
Резервным способом пуска на ГАЭС Динорвиг является частотный пуск от любого другого обратимого агрегата этой же станции по схеме взаимного пуска («спина к спине»). Для этой цели используется ПСШ, секционированная разъединителями на 6 секций. Запускаемый в насосный режим обратимый агрегат соединяется при помощи разъединителей РП1, РП2 и ПСШ, то есть «электрическим валом» с другим обратимым агрегатом, который запускается в турбинном режиме. Поскольку соединение выполняется таким образом, что чередование фаз электрических машин ведущего и ведомого агрегатов противоположное, то при разворачивании ведущего обратимого агрегата в турбинном направлении вращения ведомый агрегат начинает разворачиваться в насосном (двигательном) направлении. Такой частотный пуск обратимого агрегата от другого агрегата является весьма быстрым и экономичным, но он не может обеспечить запуск в насосный режим последнего обратимого агрегата станции.
Технологически запуск обратимого агрегата в насосный режим от обычного вспомогательного гидрогенератора, установленного на этой же ГАЭС, или от гидроагрегата соседней ГЭС, не отличается от пуска с использованием соседнего обратимого агрегата и осуществляется следующим образом: ведущий агрегат запускается по обычной схеме в турбинный режим и разворачивается одновременно с ведомым агрегатом, запускае-
мым в насосный режим. Выводы статоров обоих ГД соединены та ким образом, что чередование фаз ведомого ГД – обратное по отношению к чередованию ведущего ГД. Отличительной особенностью такого пуска является то, что соединенные друг с другом электрические машины возбуждаются в неподвижном состоянии. При росте частоты вращения ведущего генератора и, следовательно, его эдс, под действием которой по обмоткам статоров потечет ток, создается вращающий момент, в результате чего пускаемый ГД придет во вращение. В начальный момент вращение ведущего и ведомого ГД – несинхронное, но практически после нескольких оборотов они начинают вращаться синхронно. После достижения номинальной частоты вращения пускаемый ГД отключается от ведущего генератора и включается в сеть.
Однако этот способ имеет некоторые недостатки. Наиболее трудным моментом синхронно-частотного пуска оказывается синхронное трогание двух возбужденных ГД. Биения статорных токов достигают больших значений и к тому же для трогания разгоняемого агрегата необходим значительный пусковой вращающий момент, превышающий удвоенный момент трогания одного агрегата. Кроме того, при синхронном пуске необходимо точное согласование величины токов возбуждения с величиной момента трогания пускаемого агрегата. При неправильной установке токов возбуждения происходит либо «отрыв» ведущего ГД при остановке пускаемого ГД, либо обе машины испытывают постоянные толчки, практически не трогаясь с места. На низкой частоте вращения практически невозможно обеспечить стабильность вращения ротора пускаемого ГД.
Технические трудности (недостатки) синхронно-частотного пуска от соседнего агрегата отсутствуют в системе с асинхронно-час- тотным пуском, при котором обе машины в начальный период пуска остаются невозбужденными. Ведущий ГД (генератор) возбуждается только при достижении частоты вращения, равной 20–40 % от номинальной, которая считается начальной. Начальная частота вращения генератора должна быть подобрана таким образом, чтобы полученное при этом значение тока возбуждения было достаточным для создания необходимой величины вращающего момента.
Под действием вращающегося момента невозбужденный ведомый (пускаемый) ГД начинает асинхронно вращаться, при этом интенсивность разгона ведущего генератора уменьшается вследствие увеличения нагрузки. По истечении некоторого времени частота вращения двигателя сближается с частотой генератора, и на пускаемый двигатель также подается возбуждение, что позволяет синхронизировать ведущую и ведомую электрические машины и довести разгон ведомого обратимого агрегата до подсинхронной частоты вращения. Оба агрегата синхронизируются с сетью и ведомый агрегат включается в сеть, после чего производится набор нагрузки на агрегате, пускаемом в насосный режим.
Таким образом, асинхронно-частотный пуск представляет собой комбинацию асинхронного и синхронного пуска. Энергия, которая выделяется в роторе пускаемого двигателя, значительно меньше, чем при нормальном асинхронном пуске.
Однако асинхронно-частотный пуск представляет собой весьма сложный процесс, так как успешность пуска зависит от многих взаимообусловленных факторов. Такой пуск осуществляется только в определенных пределах разности частот вращения генератора и двигателя. Допустимая разность частот вращения зависит как от возбуждения, полного сопротивления соединительных шин между машинами, величины и характера момента сопротивления, момента турбины, так и от исполнения двигателя.
Таким образом, асинхронно-частотный пуск, с одной стороны, обладает тем преимуществом, что не требует специального пускового устройства, не создает тепловых перегрузок двигателя и не нарушает режима работы энергосистемы, с другой стороны, кажущаяся относительная простота схемного решения имеет и существенные недостатки:
во-первых, весьма сложное управление процессом пуска, поскольку благоприятный пуск зависит от многих параметров и осуществим только при строгом выполнении в процессе пуска определенных условий; во-вторых, включение двигателя в сеть может вызывать значи-
тельные ударные токи и моменты, превышающие их номинальные значения.
Кроме того, следует учитывать, что в нижнем и верхнем бьефах станции при пусках агрегатов образуются два противоположно направленных потока, нежелательные для креплений понура – рисбермы.
Поэтому пуск методом «back-to-back» находил применение, когда полупроводниковая техника была далека от совершенства, и тиристорные СПЧ были, во-первых, дороги, а во-вторых, не отличались высокой надежностью.
Применение синхронного частотного пуска обратимого агрегата в насосный режим с применением СПЧ позволяет осуществить пуск плавно с заданной интенсивностью и применим для обратимых агрегатов любой мощности. Поэтому уже в 70–80 гг. прошлого столетия частотный пуск с помощью СПЧ считался перспективным и рациональным техническим решением для пуска в насосный режим мощных обратимых агрегатов ГАЭС без воды в камере рабочего ко леса насосотурбины.
С чисто экономической точки зрения, частотный пуск с помощью СПЧ в настоящее время конкурентоспособен для ГАЭС с количеством агрегатов не менее 3–4; при меньшем количестве агрегатов целесообразнее использовать индивидуальные способы пуска (ВРД).
Таким образом, при выборе способа пуска насосотурбинных гидроагрегатов ГАЭС в насосный режим необходимо учитывать следующее.

1. 
   Возможность технического выполнения схемы, обеспечивающей достаточно высокую надежность и успешность завершения пуска.
   
2. 
   Минимальное воздействие на энергосистему с точки зрения сохранения устойчивости параллельной работы (особенно в аварийных ситуациях) при понижениях напряжения, сопровождающих пуски обратимых агрегатов.
   
3. 
   Экономичность схемы, определяемую ее первоначальной стоимостью и расходом электроэнергии на пуск.
   
4. 
   Простоту и удобство эксплуатации схемы, возможность полной автоматизации операции пуска обратимого агрегата.
   

Современный зарубежный опыт строительства и эксплуатации ГАЭС не позволяет сделать однозначных выводов о преимуществах какого-либо одного способа пуска. Тем не менее отчетливо просматривается тенденция к приоритетному использованию СПЧ в качестве основных пусковых устройств мощных обратимых агрегатов. Основными достоинствами пуска от тиристорного СПЧ являются плавность пуска, низкое значение пускового тока, практически не- ограниченное число и частота пусков, возможность использования одной установки для нескольких агрегатов, уменьшение высоты агрегата и, как следствие, уменьшение высоты здания ГАЭС. В Японии пуск от тиристорного СПЧ впервые применен на ГАЭС Окуйошино (1980 г.) для агрегатов мощностью 214 МВ·А. В настоящее время на подавляющем большинстве вновь строящихся ГАЭС в качестве пускового устройства применяются тиристорные СПЧ.
Независимо от конкретного исполнения СПЧ его назначение для всех типов обратимых агрегатов одинаково. Преобразователь должен обеспечивать:
плавный частотный пуск обратимого агрегата в насосный режим
и режим СК с насосным направлением вращения; частотный пуск агрегата в режим СК с генераторным направле-
нием вращения (эта функция у некоторых типов преобразователей может отсутствовать); точную автоматическую синхронизацию с сетью и выдачу коман ды на переключение агрегата от пускового устройства на сеть; ручное регулирование частоты вращения ротора в диапазоне от 5 до 52 Гц в двух направлениях и длительную работу агрегата на промежуточных частотах (в режимах наладки и испытаний); подхват выбегающего после отключения от сети агрегата с его последующим рекуперативным торможением с заданным темпом до полного останова ротора.
Принцип действия СПЧ заключается в преобразовании переменного трехфазного напряжения промышленной частоты в переменное трехфазное напряжение регулируемой частоты и напряжения для плавного управляемого пуска и регулирования частоты вращения синхронной машины.
Тиристорный электропривод переменного тока с преобразователями частоты применяется в промышленности для регулирования частоты вращения асинхронных и синхронных электродвигателей достаточно давно.
В современных установках наибольшее распространение получили два вида СПЧ: автономный инвертор со звеном постоянного тока, который тре-
бует предварительного выпрямления тока промышленной частоты и последующего инвертирования. Выходная частота не связана с частотой сети и в нашем случае изменяется от малых значений (нуля) до 50±5 Гц; преобразователи с непосредственной связью формируют кри-
вую выходного напряжения из напряжения более высокой частоты в напряжение низкой частоты. Непосредственные преобразователи иногда называют циклоконверторами.
В качестве преобразователей в целях регулирования частоты вращения (разгона) ГД на ГАЭС используются преобразователи первого типа.
Уже из определения типа преобразователя очевидно, что его основными структурными элементами являются выпрямитель и инвертор, связанные звеном постоянного тока.
Поскольку обратимые агрегаты ГАЭС являются синхронными электрическими машинами, это дает возможность осуществить так называемый вентильный двигатель, в котором управление инвертором осуществляется от двигателя, причем включение очередного тиристора инвертора осуществляется в функции угла поворота ротора двигателя, а выключение предыдущего тиристора – за счет опережающей эдс синхронного двигателя.
Инвертор может выполняться как инвертор напряжения или инвертор тока. Преобразователь с инвертором тока имеет некоторые преимущества по сравнению с инвертором напряжения, поскольку дает возможность получить напряжение на зажимах дви гателя независимо от формы напряжения в промежуточной цепи. Ток в течение процесса коммутации остается практически постоянным. Кроме того инвертор тока дает возможность легко осуществить рекуперативное торможение при сохранении постоянства направления тока путем изменения полярности в промежуточной цепи.
Номенклатура мощностей выпускаемых российской и зарубежной промышленностью современных СПЧ, применяемых в качестве привода для пуска обратимых гидроагрегатов ГАЭС в насосный режим, достаточно обширна – от нескольких МВт для маломощных агрегатов до 70 МВт. Требуемая мощность определяется не только мощностью пускаемого ГД, но и требуемой интенсивностью разгона, то есть требуемым временем пуска. Особенностью современных СПЧ является использование высоконадежных силовых тиристоров с большим техническим ресурсом и современной элементной базы, применяемой в системе управления, в том числе цифровой техники. Охлаждение силовой части преобразователей бывает двух типов: естественное воздушное и жидкостное (водяное). Водяное охлаждение позволяет выполнить преобразователь более компактным, но создает дополнительные трудности в эксплуатации.
Поскольку шкала напряжений синхронных машин большой мощности лежит в диапазоне 3–27 кВ, в преобразователе частоты применяются высоковольтные тиристорные вентили, состоящие из последовательно соединенных тиристоров, количество которых в вентиле зависит от их класса напряжения.
Согласование напряжения тиристорного преобразователя частоты с сетью электроснабжения осуществляется, как правило, с помощью трансформатора, обеспечивающего совместно со специальными RC-цепями демпфирование высокочастотной составляющей перенапряжений относительно земли и ограничение этих перенапряжений.
Согласование выходного напряжения преобразователя частоты с напряжением синхронной машины наиболее целесообразно выполнять бестрансформаторным, применяя пусковой преобразователь на напряжение, соответствующее напряжению статора ГД. Однако на практике получили распространение также тиристорные пусковые устройства, схема которых предусматривает трансформаторное согласование напряжения преобразователя и синхронной машины.
На рис. 17.2 приведены возможные варианты реализации схем пусковых устройств с различными способами согласования напря жений преобразователя, сети и синхронной машины.