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
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.
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!
