Синхронизация энергосетей - как это устроено и для чего нужно
Мы живём в мире, опутанным миллионами километров энергосетей. При этом электроэнергию производит огромное количество электростанций совершенно разных типов: угольные, на мазуте, газе, гидроэлектростанции, атомные, солнечные, приливные, ветряные и даже термальные. Большая часть из них включена в единые энергосистемы стран и регионов. Несколько лет назад на Пикабу было описано как происходит процесс синхронизации на примере обычных трёхфазных генераторов, но это далеко не полное описание: Как синхронизируются генераторы электростанций
Любую электростанцию можно смело назвать генератором, вне зависимости от её мощности, потому, что она генерирует (производит) электроэнергию.
Картинка наглядно показывает что для этого необходимо
Начало пути
Вроде с электричеством всё очень просто, но в тоже время далеко не так просто как кажется. Для начала окунёмся немного в историю.
Свой первый и очень важный вклад в появление генераторов внёс в 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед. Проводя опыты с электрическим током, он обнаружил, что протекание тока по проводнику вызывает отклонение стрелки компаса. Это наблюдение продемонстрировало связь между электричеством и магнетизмом: движущиеся электрические заряды создают вокруг себя магнитное поле. Дальше сою руку приложило множество изобретателей и ученых, включая Фарадея, открывшего явление электромагнитной индукции и Ипполита Пикси, который сделал первый генератор использующий постоянные магниты. Но подобные конструкции имели очень низкий КПД (коэффициент полезного действия).
В 1860-70-х годах были разработаны намного более совершенные конструкции электрогенераторов благодаря идее Вернера Сименса, предложившего использовать вместо постоянных магнитов дополнительную обмотку возбуждения и электромагниты. Чуть позже бельгийский изобретатель Зенобий Теофил Грамм предложил использовать якорь кольцевой формы. По сравнению с цилиндрическим якорем Сименса эта конструкция имела целый ряд преимуществ:
Проще и дешевле в изготовлении.
Позволяет получать постоянный ток без коммутатора.
Возникает меньше паразитных токов и потерь.
Все эти и многие другие разработки позволили получить высокоэффективные генераторы или по другому динамо-машины,. которые позволили впервые получать электроэнергию в сколь угодно больших количествах за счёт преобразования механической энергии вращения в электрическую.
Но в самом начале пути это были генераторы постоянного тока! И тот же Грамм, следуя тенденциям, переделал свой генератор постоянного тока в генератор переменного тока, заменив коллектор на два кольца по которым скользят пружины (токосъёмники). А по настоящему револючионное открытие сделал Доливо-Добровольский, который фактически придумал трёх фазное напряжение.
А зачем вдруг понадобился переменный ток?
Мы тут говорим про фазовую синхронизацию - весьма сложный процесс. А зачем вообще нужен был этот переменный ток, если на постоянном ничего не нужно синхронизировать? Ведь это должно быть проще, или нет?
Начнём с того, что любой генератор вырабатывает определённое напряжение. Чем выше напряжение, тем больше требований к самому генератору в плане конструкции. А для передачи электричества на большие расстояния очень большую роль играют потери, которые при этом возникают. Все мы изучали физику в школе, но это не точно. Про закон Ома сышали все, но не многие помнят суть. Любой проводник имеет сопротивление. Чем выше напряжение и меньше ток, тем меньше потери и меньшее сечение кабеля потребуется для передачи большей мощности. Чем больше ток и ниже напряжение, тем больше будут потери для передачи той же мощности. Проводник начнёт нагреваться и может просто испариться, а его изоляция расплавится. Следовательно для больших токов и низкого напряжения требуется большое сечение проводника (провода). Как пример провода в автомобиле, особенно проводка аккумулятора и стартёра, которая сделана очень толстыми проводами из-за больших пусковых токов.
То есть, для больших токов нужно или делать невероятно толстый кабель, либо существенно повысить напряжение. С постоянным током это возможно до определенного предела, но очень дорого даже сейчас. А в начале 20 века подобных технологий просто не существовало.
Изготовить генератор постоянного тока, вырабатывающий сотни тысяч вольт наверное тоже можно, но никто не пробовал, поскольку люди научились генерировать переменный ток.
Второй и тоже немаловажный момент, который плавно вытекает из предыдущего. Переменный ток намного проще преобразовать с минимальными потерями в высокое напряжение (десятки и сотни тысяч вольт) и обратно благодаря обычным трансформаторам. То есть, достаточно просто из низкого напряжения с большими токами получить высокое напряжение с небольшими токами и с минимальными потерями передать его на сотни километров по высоковольтным линиям электропередачи (ЛЭП). Ну и после также легко понизить до привычных нам напряжений в электрической розетке (0,4 кВ - сети низкого напряжения для домов, офисов и т.п.).
Есть и множество других факторов, повлиявших на выбор переменного тока для передачи электроэнергии на большие расстояния. Например: генераторы переменного проще по конструкции и надёжнее; простота преобразования; низкая стоимость оборудования и другие.
В итоге все пришли к выводу, что для передачи на большие расстояния переменный ток подходит намного лучше, чем постоянный. Решили и отлично - на первых порах всё было хорошо, пока одна электростанция подавала электричество на одну группу потребителей. Хотя и тут возникали сложности. С увеличением нагрузки частота в сети начинала существенно просаживаться, а с уменьшением возрастать, как и напряжение у конечных потребителей. Особенно это было актуально для промышленности, которая активно начала использовать электроэнергию для производства.
Значит нужно как-то регулировать мощности, чтобы в пиках подключать дополнительные, а при низком потреблении их отключать и снижать генерацию. К тому же, при питании от одного источника генерации энергии есть риск совсем остаться без электричества в случае аварии, что опять таки очень плохо, особенно для промышленности.
Все эти факторы привели к тому, что потребовалось объединять разные источники генерации (электростанции) в одну единую сеть с возможностью регулировки мощности и её перераспределению. Тут стоит отметить, что далеко не все электростанции могут быстро снизить мощность генерации. Например для атомных электростанций это достаточно сложный процесс. Значит в единой сети должны работать электростанции разных типов для компенсации меняющейся нагрузки.
Немного истории по развитию систем передачи электроэнергии
Уже к двадцатым годам 20 века системы передачи электроэнергии стали неотъемлемой частью промышленной инфраструктуры Европы. В 1922 году линия высокого напряжения (150 кВ) соединила Францию и Швейцарию, а в 1929 году Австрию и Германию связала линия на 225 кВ.
Эти ранние соединения положили начало созданию международной энергосети, которая позволяла эффективнее использовать ресурсы и обеспечивала взаимопомощь в случае аварийных ситуаций.
Уже в 1926 году в Великобритании начала формироваться Национальная сеть, работающая на 132 кВ, которая объединила локальные электростанции в единое целое. Эти электрические сети позволили значительно снизить стоимость электроэнергии и обеспечили стабильное электроснабжение для промышленности и населения. В дальнейшем Европа уверенно шла по пути объединения электросетей и координации их работы.
Россия, а позднее СССР, тоже шли в ногу со временем. Еще в 1908 г. был разработан комплексный план развития электроэнергетических систем России, который в 1920 г. был творчески переработан, принят как пятнадцатилетний Государственный план электрификации России (план ГОЭЛРО) и успешно реализован к началу 1930-х годов. Электроэнергетика нашей страны прошла в своем развитии огромный путь от предусмотренного планом ГОЭЛРО сооружения первых крупных районных электростанций и объединяющих их электрических сетей до образования Единой энергосистемы (ЕЭС) – самого крупного в мире централизованно управляемого энергообъединения (ЭО).
Следует отметить, что синхронизация частоты на уровне 50 Гц позволила нам и Европе осуществлять обмен электроэнергией с минимальными потерями.
И вот тут мы дошли до синхронизации генераций.
Комплекс мероприятий по подключению генератора к энергосистеме называется синхронизацией. Это очень ответственный момент!
На сегодняшний день существует 2 типа синхронизации генераторов с энергосистемой: самосинхронизация и точная синхронизация. Первая используется для подключение к системе сравнительно маломощных генераторов до 10 МВт, а вторая для подключения крупных систем высокой мощности.
Самосинхронизация: при самосинхронизации генератор разгоняют до частоты немного ниже синхронной (3000 об/мин для турбогенераторов). Почему ниже? Потому что сперва синхронный генератор будет работать в асинхронном режиме. При этом обмотка возбуждения генератора закорочена. После чего генератор включают в сеть и плавно начинают подавать ток возбуждения в соответствующую обмотку.
При этом генератор работает как простой асинхронный двигатель, даже если перекрыть подачу пара в турбину, генератор продолжит вращаться от сети. По сути любой генератор может работать как электромотор.
Увеличивая ток возбуждения мы переводим генератор из режима асинхронного двигателя в режим синхронного компенсатора, когда он вырабатывает только реактивную мощность. При этом наш генератор втягивается в синхронизм, т.е. его частота становится не асинхронной, а синхронной и равной 3000 об/мин (50 Гц). После его нагружают по активной мощности увеличивая подачу пара (воды) в турбину. При этом его частота уже не сможет увеличится выше 3000 об/мин, т.к. при увеличении крутящего момента турбины увеличивается магнитный (тормозящий) момент генератора, а чем выше магнитный момент генератора тем будет выше генерируемая активная мощность.
Точная синхронизация
Этот процесс реализуется значительно проще и выполняется в автоматическом или полуавтоматическом режиме.
При точной синхронизации необходимо выполнить следующие условия:
1. Обеспечить совпадение частот синхронизируемого генератора и энергосистемы.
2. Обеспечить совпадения модулей напряжения генератора и подключаемой системы.
3. Угол сдвига между векторами напряжений генератора и энергосистемы должен быть равен 0.
На деле это выглядит так: генератор разгоняют до синхронной частоты, подают ток возбуждения (пока напряжение генератора не сравняется с напряжением на шинах сети). После чего включают синхроскоп для определения угла сдвига напряжений на генераторе и в системе (он будет постоянно меняться, т.к. частоты генератора и сети точно не равны друг другу). В момент когда вектор напряжения генератора отстает от вектора напряжения энергосистемы примерно на 5-15 град. производят включение генератора в сеть. Почему не ждут пока угол сдвига векторов не станет равным 0? Все просто, все выключатели имеют определенное время срабатывания, так что после поворота ключа выключателя он включается не сразу, а только через определенное время. За это время угол сдвига векторов становится равным 0. После синхронизации его также нагружают по активной мощности (увеличивая подачу пара в турбину) и реактивной (увеличивая ток возбуждения).
После включения при правильно выполненной точной синхронизации генератор не трясет:), возможны небольшие качания из-за несовпадения векторов напряжений.
Зачем нужна синхронизация?
Если объединить системы генерации с рассинхронизацией по фазе (сдвиг), то КПД всей системы резко уменьшится даже при незначительной рассинхронизации, а такой генератор начнет буквально колбасить до устранения рассинхронизации. Ну а ежели в противофазе подключить, когда вектора напряжений направлены диаметрально противоположно, то тогда вообще не избежать крупной аварии, вплоть до разрушения роторов - их легко может даже сломать!
Ну и немножко о работе энергосистемы.
Любая глобальная энергосистема работает по принципу баланса между вырабатываемой и потребляемой мощностями. Только в этом случае частота в сети будет равна точно 50 Гц. В реальности это условие полностью невыполнимо. Нагрузка будет меняться как в течении суток так и в течении года. Поэтому для всех мощных потребителей заранее составляется график суточной и сезонной нагрузок. Все просчитывается заранее, какой потребитель сколько потребляет, и какая электростанция сколько вырабатывает энергии в каждый момент времени. Учитываются даже перетоки мощности по ЛЭП, которые по возможности пытаются минимизировать (для уменьшения потерь в проводах ЛЭП). Работу потребителей и электростанций координирует диспетчер энергосистемы, в соответствии с заранее составленным графиком нагрузок.
Поэтому рассмотренный нами случай довольно далек от реальности. Просто так никто не даст подключить к системе мощную нагрузку или генератор, да еще и работающий на пониженной частоте. За любыми включениями и отключениями мощных потребителей и систем генерации следят диспетчерские центры и управляют этими процессами в автоматическом и ручном режиме (в зависимости от ситуации).
При соблюдении равенства генерируемой и потребляемой мощностей, энергосистема может работать синхронно сколько угодно долго. Нарушить такую работу может только достаточно большая авария, например обрыв линии или выход из строя системы генерации.
В качестве заключения: что случается при аварии?
Про аварийные отключения стоит поговорить отдельно. Ведь их невозможно контролировать и спрогнозировать и как следствие предотвратить.
Если случилось короткое замыкание, порвало провода, вышел из строя мощный узел генерации, то защита в любом случае отключит поврежденный участок сети. И вот тогда на этом участке может резко изменится баланс мощностей, который будет невозможно быстро скомпенсировать увеличением мощности генераторов. В таком случае срабатывает АЧР - автоматическая частотная разгрузка, которая в случае понижения частоты в энергосистеме отключает наименее ответственных потребителей.
В итоге кто-то остаётся без света, если он запитан от одной линии, но это будет совсем другая история!
