موازی کردن دیزل ژنراتور‌های متفاوت – بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، بر اساس یک قانون کلی، وقتی که ولتاژ و فرکانس در زمان اتصال یکی و برابر باشند می‌توان هر چیزی را با هر چیزی سنکرون کرد. مطمئنا در واقعیت محدودیت‌های عملی در رابطه با گفته‌ی بالا وجود دارد و شاید فاکتور‌های طراحی سیستم همانند قابلیت اطمینان سیستم و کارایی آن باعث شوند که طراح، ژنراتور موجود را با یک ژنراتور جدید که پاسخ گوی نیاز‌های طراحی باشد جایگزین کند و حتی ممکن است هزینه‌ی انطباق دیزل ژنراتور‌های قبلی انقدر زیاد باشد که تعویض آن‌ها توجیح پذیر باشد. در این مطلب ما به موضوعات و مواردی که برای طراحی باید در نظر گرفته شود و همچنین به مشکلات مرسوم در این باره می‌پردازیم.


قابلیت سازگاری در یک سیستم به کلام ساده این است که دیزل ژنراتور‌ها در یک سیستم پارالل شده:

دارای دیزل‌های سازگار باشند
دارای ژنراتور‌های سازگار باشند
دارای سیستم کنترلی تقسیم بار سازگار باشند
دارای رابط‌های دیتای سازگار با سیستم‌های کنترلی و مانیتوری دیگر (شامل محلی و دور دست)
دارای قابلیت کنترل “استارت اول” (“First Start” Control) باشد (سیستم کنترلی باید بتواند تعیین کند که کدام دیزل ژنراتور باید اول روی باس سنکرون متصل شود و ترتیب اتصال دیگر دیزل ژنراتور‌ها روی باس را تامین کند)

دارای این قابلیت باشد که بتواند با سیستم کنترل دستی، با سیستم کنترل بار تا مقدار خاص و محدود، و با تجهیزات که قابلیت انطباق کمی دارند کار کند، ولی این نا سازگاری‌ها ممکن است باعث شود تا تجهیزات جدیدی به سیستم اضافه گردد و یا اینکه انعطاف پذیری سیستم را کاهش دهد.

قبل از تغییر و یا اصلاح در سیستم‌های موجود این نکته خیلی مهم است که تجهیزات موجود کاملا در بار کامل و ولتاژ و فرکانس مناسب تست شوند و مورد تایید قرار گیرند. اگر یک ماشین در یک بار مشخص با لود بانک نتواند به درستی کار کند غیر ممکن است این ماشین یا دیزل ژنراتور در حالت موازی به درستی عمل کند.

مشکلات در سطح سیستم

قبل از این که سازگاری دیزل ژنراتور‌ها را در سیستم در نظر بگیریم بهتر است نگاهی به مشکلاتی که در سیستم به خاطر استفاده از دیزل ژنراتور‌های نا همانند ایجاد می‌شود را بررسی کنیم. اگر سایز ژنراتور‌ها برابر نباشد، ممکن است باعث تاثیر در طراحی سیستم می‌شود. یک سیستم اضطراری شامل دیزل ژنراتور‌ها با توان مساوی می‌تواند بار اولیه بیشتری در راه اندازی تحویل دهند برای مثال یک سیستم شامل دو دیزل ژنراتور با توان ۵۰۰ کیلووات می‌تواند در لحظه‌ی اول باری تا ۵۰۰ کیلو وات را تامین می‌کند، ولی در صورت استفاده از دو دیزل ژنراتور با توان‌های ۷۵۰ کیلو وات و ۲۵۰ کیلوات، اگرچه دارای توان به مجموع ۱۰۰۰ کیلوات می‌باشد، ولی در لحظه‌ی اول فقط می‌تواند ۲۵۰ کیلووات بار را تامین کرد به این علت که اگر دیزل ژنراتور ۲۵۰ کیلووات دیزل اولی باشد که به باس وصل شده باشد با اتصال بار بزرگتر از ۲۵۰ کیلو وات امکان دارد دیزل ژنراتور اضافه بار گردد. برای حل این مشکل طراحان باس‌های اضافی در سیستم اضافه می‌کنند که خود این باعث پیچیدگی بیشتر سیستم می‌شود همچنین اضافه شدن باس‌های بیشتر کارکد دستی سیستم را پیچیده‌تر می‌کند. امکان دارد تغییر در ترتیب کلید زنی در صورت استفاده از دیزل ژنراتور‌های غیر مساوی مورد نیاز باشد. پیشنهاد نمی‌گردد سیستم‌های که دارای دیزل ژنراتور‌های سنکرون شونده هستند با قید راه اندازی در زمان کمتر از ۱۰ ثانیه طراحی شوند.

خیل از سازنده‌ها توانایی تامین تجهیزاتی که مطمئن باشند در کمتر از ۱۰ ثانیه سنکرون می‌شوند را ندارند در نتیجه در شرایطی که نیاز به سرویس قرار دادن بار‌ها در کمتر از ۱۰ ثانیه مورد نیاز است، طراح باید از بسته شدن دیزل ژنراتور کوچکتر در باس در لحظه‌ی اول جلوگیری کند (این عمل باعث از بین رفتن قابلیت جایگزینی دیگر ژنراتور- Redundancy) و یا اینکه باید مطمئن شد که بار اولیه متصل شونده به باس کمتر از کوچکترین دیزل ژنراتور موجود است.

از دیدگاه Load Shedding مشکل کمتر است، اما هنوز نیاز به کمی مطالعه می‌باشد. اگر شرایط افت فرکانسی در شبکه موجود باشد سیستم نیاز دارد تا بار‌های متصل را کم کند. در شرایطی که از دیزل ژنراتور‌های ناهمسان استفاده شده باشد واگر دیزل ژنراتور ۵۰۰ کیلووات از دسترس خارج شود نیاز است تا مقدار بار بزرگی کم کنیم تا ژنراتور ۲۵۰ کیلووات آزاد شود. در سیستم cascading load shedding، سیستم به صورت اتوماتیک لود را کم می‌کند تا سیستم به شرایط عادی برگردد.

زمان طراحی سیستم زمانی که طراح مقدار KW دیزل ژنراتور‌ها موجود را می‌داند می‌تواند اختلافات در سایز را به وسیله‌ی استفاده از Sequence‌های مختلف زمانی که ترکیبی از تجهیزات مختلف موجود می‌باشد را جبران کند.

چقدر اختلاف در سایز کاربردی و قابل اجرا می‌باشد؟

این سوال خیلی در صنعت بحث شده است. ما می‌دانیم که تکنیکالی می‌توان همه چیز را با هم موازی کرد، اما در واقعیت این کاملا متفاوت می‌باشد. در کل، سیستمی قابل مدیریت می‌باشد که کوچکترین ژنراتور آن ۳۰ درصد بزرگترین ژنراتور آن باشد. اگر در سیستم ژنراتور بزرگتر از این مقدار موجود می‌باشد بهتر است آن را بزرگتر در نظر بگیریم و ژنراتور کوچکتر را حذف کنیم.

ممکن است در حالت پرایم تفاوت توانی زیادی بین دیزل ژنراتور‌ها باشد. این حالت بیشتر در شهر‌های دور و یا کارخانه‌ها که برق شهر موجود نمی‌باشد به وجود می‌اید. بار در طول روز خیل بیشتر از شب می‌باشد و ممکن است ۲ دیزل ژنراتور ۳۰۰ کیلو وات و ۵۰ کیلووات در طول روز بار را تامین کند و در شب فقط دیزل ۵۰ کیلووات بار را تامین کند. در این حالت موازی کردن دیزل ژنراتور‌ها مشکلی ندارد به خاطر این که مقدار بار به سرعت تغییر نمی‌کند و در واقع سیستم مدیرت بار اتوماتیک ندارد.

در حالت تکنیکالی کوچکترین کلید قدرت که می‌توان تامین کرد ۸۰۰ آمپر باشد و شاید این باعث افزایش هزینه سنکرون کردن دیزل ژنراتور‌های کوچک شود. در این شرایط می‌توان از کلید‌های کامپکت که قابلت وصل در ۵ سیکل را دارند برای پارالل کردن استفاده کرد. این کلید‌ها کوچکتر هستند و به فضای کمی نیاز دارند و ارزان‌تر هم می‌باشند. می‌توان از کنتاکتور هم استفاده کرد، ولی حتما باید با فیوز مناسب حفاظت شوند.

دیزل‌های سازگار

مقدار توان حقیقی یا اکتیو (KW) تامین شده توسط دیزل ژنراتور دارای رابطه‌ی مستقیم با توان حقیقی دیزل دارد. دیزل‌های سازگار تقریبا توانایی تامین بار برابر در هر دو حالت پایدار و گذرا را در تمامی ضریب بار‌های مختلف دارا می‌باشند. در مقابل، اگر دیزل‌های غیر سازگار موازی شوند، مشکلات تقسیم بار ایجاد خواهد شد، مخصوصا در زمان‌های اتصال و قطع بار‌های بزرگ زمانی که بار به دیزل ژنراتور متصل می‌شود، مخصوصا در مقادیر بزرگ، به صورت لحظه‌ای مقدار فرکانس افت می‌کند تا زمانی که گاورنر مقدار بیشتری سوخت به دیزل تحویل دهد تا دیزل ژنراتور به سرعت و فرکانس نامی برسد. مقدار افت فرکانس و زمان برگشت (Recovery time) تابعی از اینرسی تجهیزات چرخنده سیستم (شامل روتور ژنراتور و اجزای متحرک دیزل) و سرعت عمل گاورنر و سیستم ورودی هوا می‌تواند که مقدار سوخت و هوا را افزایش دهند بستگی دارد. مقدار زمان بازگشت به سرعت نرمال به نوع گاورنر دیزل، نوع طراحی سیستم سوخت و هوا و نوع سیکل دیزل (۲ سیکل یا ۴ سیکل) بستگی دارد.

تقسیم بار در زمان گذرا خیلی مهم است، زیرا دیزل ژنراتور‌ها با سایز مختلف معمولا توانایی مختلفی (منظور از توانایی مقدار ثابت زمانی و مقدار تغییر فرکانس و لتاژ از حالت نرمال می‌باشد) در قطع و وصل بار دارند. برای مثال، یک دیزل ژنراتور ۲۵۰ کیلووات موازی با ۵۰۰ کیلو وات در نظر بگیرید. اعمال بار ۲۵۰ کیلووات به یک دیزل ژنراتور ۲۵۰ کیلووات تقریبا باعث ۲۵ درصد افت ولتاژ و ۳ ثانیه زمان می‌برد تا به فرکانس نرمال برگردد. برای دیزل ژنراتور ۵۰۰ کیلووات اعمال ۵۰۰ کیلووات بار باعث افت ولتاژ (Voltage Dip) ۳۰ درصدی و زمان مورد نیاز برای برگشت به فرکانس نرمال ۵ ثانیه می‌باشد. در نتیچه اگر یک بار ۷۵۰ کیلووات (بار کامل) به ۲ دیزل ژنراتور اعمال گردد و یا ۷۵۰ کیلو وات بار ناگهان از روی دیزل ژنراتور قطع گردد، این دو دیزل ژنراتور به اندازه‌ی مساوی بار را در طول زمان گذرا تقسیم نمی‌کنند. امکان دارد باعث اضافه بار روی دیزل ژنراتور سریع‌تر شود و مخصوصا در زمان قطع ناگهانی بار باعث برگشت توان به یکی از دیزل ژنراتور‌ها و عمل کردن رله‌ی Reverse Power گردد.

در بار‌های کمتر، مقدار حالت‌های گذرا کمتر می‌باشد لذا زمان برگشت (Recovery Time) کمتر می‌باشد، در نتیجه زمانی که اندازه‌ی بار را در زمان کلید زنی کمتر کنیم در نهایت به نقطه‌ای خواهیم رسید که حالت گذرا‌های ۲ دیزل ژنراتور خیلی شبیه هم می‌گردد. این به معنای این است که حالت گذرا‌های نا متقارن را می‌توان با اضافه یا کم کردن بار در مقادیر کمتر در حالتی که از ۲ دیزل ژنراتور همانند استفاده می‌شود حل کرد. طراح می‌تواند با بررسی مشخصات بارگیری و قطع بار دیزل ژنراتور‌ها در حالت‌های گذرا مشکلات بالقوه سیستم در دیزل‌ها (آیا توانایی پاسخگوی را دارا می‌باشند) به دست آورد. وقتی این کار انجام شد، باید اطلاعات از تست دیزل ژنراتور‌های واقعی برای بررسی استفاده گردد، نه فقط افت ولتاژ ژنراتور و یا پاسخگویی حالت گذرای دیزل به تنهایی. در کل اگر مقدار بار ناگهانی اعمالی به دیزل ژنراتور‌ها کمتر از ۲۵ درصد کوچکترین دیزل ژنراتور باشد تاثیر منفی به خاطر اختلاف توانی دیزل ژنراتور‌ها در سیستم به وجود نمی‌آید.

تریپ‌های مزاحم رله‌ی توان معکوس (Reverse Power) به علت قطع بار از روی دیزل ژنراتور‌ها را می‌توان با بیشتر کردن زمان تاخیر رله‌ی Reverse Power بیشتر از مقدار زمان ریکاوری کند‌ترین دیزل ژنراتور‌ها حل کرد. این کار را با افزایش مقدار حد توان معکوس در رله انجام ندهید. این امکان دارد باعث غیر حساس کردن رله‌ی ریورس پاور و حذف آن از سیستم حفاظتی گردد.

ژنراتور‌های سازگار

ژنراتور‌ها زمانی سازگار هستند که بتوانند بدون جاری بودن جریان مخرب نول، بین آن‌ها کار کنند. بسته به مشخصات افزایش دمای ژنراتور (Temperature Rise)، عمر ژنراتور و سیستم عایق آن (Insulation Class) ممکن است جریان بین نول‌های ژنراتور آسیب رسان نباشد، ولی جریان در نول باعث اختلال در عملکرد رله‌های حفاظتی گردد، مخصوصا برای حفاظت زمین. جریان در سیستم نول به خاطر اختلاف ولتاژ در بین ژنراتور‌ها ایجاد می‌گردد. اختلاف ولتاژ ممکن است به خاطر عدم دقت در تنظیمات مقدار کیلوولت آمپر راکتیو (KVAR)، و یا به خاطر اختلاف در شکل موج ولتاژ (وجود هارمینک در شکل موج ولتاژ که در شکل یک نمایش داده شده است) ایجاد شود اگر یک سیستم در حال کار ناسازگاری بین ژنراتور‌ها نشان دهد (همانند جریان بین ژنراتور‌ها که امکان از بین بردن آن با تنظیم مقدار KVAR نباشد)، می‌توان یک تست هارمونیکی جریان ارت بین ژنراتور‌ها با بار خطی متعادل انجام داد (حتی بدون بار). اگر فرکانس اصلی جریان همانند فرکانس کاری سیستم باشد، جریان ایجاد شده به خاطر تقسیم بار راکتیو (KVAR) نا صحیح می‌باشد. اگر فرکانس اصلی ۱۵۰ هرتز و یا بیشتر باشد، جریان ایجاد شده به خاطر ناسازگاری ژنراتور‌ها می‌باشد و یک راهکار باید برای آن پیدا کرد. جریان هارمونیکی نول به خاطر اختلاف بین شکل موج ولتاژ‌های ژنراتور‌های موازی شده ایجاد می‌شود.

طراحان ژنراتور می‌توانند مقدار هارمونیک‌های تولید شده را با بکار بردن چندین فاکتور طراحی (که مهم‌ترین آن ضریب سیم پیچی می‌باشد) کنترل کنند. از ضریب سیم پیچی می‌توان شکل موج ولتاژ و هزینه ساخت ژنراتور را بهینه کرد. ضریب سیم پیچی ژنراتور مربوط به طراحی مکانیکی دیزل ژنراتور می‌باشد. ضریب سیم پیچ نسبت تعداد شیار در برگرفته شده توسط سیم پیچ به تعداد شیار در برگرفته شده توسط قطب می‌باشد. ژنراتور‌هایی که همانند هستند کاملا تطتبیق پذیر می‌باشند. ژنراتور‌ها با ضریب سیم پیچ ۲/۳ دارای شکل موجی هستند که تطابق لازم جهت سنکرون با یک دیگر و برق شهر را دارا می‌باشند. زمانی که نیاز است ژنراتور‌های غیر متفاوت را موازی کرد جهت جبران کردن اختلاف ناشی از ضریب سیم پیچ، طراح چندین گزینه برای از بین بردن مشکل هارمونک مربوط به عدم تطابق ژنراتور‌ها را دارد: اگر ممکن بود بهتر است تجهیزات همانند تجهیزات موجود باشند. این نیازمند تعویض یک یا چندین ژنراتور باشد. با در نظر گرفتن این که عمر موثر یک دیزل ژنراتور در حالت Standby ۲۵ سال می‌باشد، و دیزل در این عمر کاملا قابل کار باشد امکان دارد تعویض امکان پذیر نباشد.

 

خرید ژنراتور با ضریب سیم پیچ ۳/۲، قابلیت انطباق ژنراتور‌ها را برای کارکرد موازی در آینده تضمین می‌کند. به علت قیمت بالای ژنراتور‌های MV و HV تعویض ژنراتور در ولتاژ پایین (LV) امکان پذیرتر و کاربردی‌تر از تغییر ژنراتور در MV و HV می‌باشد. استفاده از سیستم ۳ سیم. یا استفاده از سیستم که دارای سیسم نول نباشد باعث می‌شود تا مسیری برای عبور جریان نول موجود نباشد در نتیجه بزرگترین علت عدم تطابق ژنراتور‌ها از بین خواهد رفت در نظر بگیرید که نول ژنراتور‌های نا همسان زمانی که ژنراتور‌های دیگر متصل می‌باشد نباید به زمین متصل باشد. با این شرایط جریان هارمونیکی هنوز در فاز‌های ژنراتور جریان خواهد داشت، ولی تاثیر آن کمتر خواهد بود و سیستم آسیبی ناشی از وجود جریان نول را نخواهد داشت.

 

باید از ترانسفورماتور برای بار‌های تکفاز که نیاز به سیم نول دارند استفاده کرد. فقط نول ژنراتور‌های همانند را با هم متصل کنید، و از بسته شدن ژنراتور‌های نا همانند به عنوان ژنراتور‌های روی باس جلوگیری کنید. یک کنتاکتور به نول کلیدخانه اضافه کنید که فقط زمانی که سیستم اول در مدار قرار می‌گیرد نول وصل شود. این راهکار مشکلات دیگری به وجود می‌آورد و پیشنهاد نمی‌گردد. نصب راکتور در شاخه‌ی نول هر ژنراتور تا بتوان جریان هارمونیک ۳ و یا بالاتر را محدود کرد. راکتور‌ها را می‌توان برای فرکانس‌هایی که بیشترین مشکلات را ایجاد می‌کنند تنظیم کرد. جبران کردن عدم تطابق به وسیله‌ی افزایش سایز سیم و سایز ژنراتور. ممکن است طراح به وسیله‌ی افزایش سایز ژنراتور و سیم ارت اجازه دهد جریان نول در سیستم موجود باشد.

 

منبع: ماه صنعت