Комбинированное решение для электроснабжения: Дизельный генератор и трансформатор для построения высоконаде

В современных системах электроснабжения комбинация дизельных генераторов и трансформаторов образует ядро высоконадежных систем электропитания. Эта гибридная система электроснабжения может эффективно справляться с различными сложными условиями работы и обеспечивать непрерывную подачу электроэнергии в аварийных ситуациях, таких как сбои в сети или стихийные бедствия. По мере развития сетей УВН в сторону интеллектуализации и повышения эффективности, ключевое оборудование для повышения напряжения электростанций до уровней УВН для передачи, его производительность напрямую влияет на эффективность передачи и безопасность сети. В этой статье подробно рассматривается решение по распределению электроэнергии, сочетающее дизельные генераторы и трансформаторы, с всесторонним анализом от технических принципов и проектирования систем до практического применения.

I. Техническая основа комбинированных систем "Дизельный генератор - трансформатор"

1.1 Принцип работы и состав системы
Система электроснабжения и распределения, сочетающая трансформаторы и дизельные генераторы, обеспечивает эффективное распределение и управление электроэнергией путем преобразования выходного напряжения дизельных генераторов в уровни напряжения, подходящие для передачи и использования. Система в основном состоит из основных компонентов, таких как дизельные генераторные установки, повышающие трансформаторы, распределительные трансформаторы, системы управления и устройства защиты.

В качестве аварийного или основного источника питания дизельные генераторы автоматически запускаются при прерывании сетевого питания, обеспечивая необходимую поддержку электроэнергией. Трансформаторы выполняют задачу преобразования напряжения, обеспечивая передачу и распределение электроэнергии на наиболее подходящих уровнях напряжения. Совместная работа обоих создает новый гибридный режим электроснабжения со стабильными характеристиками и высокой адаптивностью.

1.2 Способы подключения системы и технические соображения
Существует два основных способа работы при подключении дизельных генераторов к распределительным трансформаторам: прямое подключение и подключение через коммутационные трансформаторы. Метод прямого подключения имеет простую конструкцию и низкую стоимость, подходит для случаев со относительно стабильными нагрузками; в то время как подключение через коммутационные трансформаторы предлагает более высокую гибкость и точность управления, особенно подходит для нагрузок с высокими требованиями к качеству электроэнергии.

В области параллельной работы генераторов в основном существуют два метода: точная синхронизация и самосинхронизация. Параллельная работа с самосинхронизацией имеет больше преимуществ с точки зрения удобства использования и реализации автоматизации, но в процессе параллельной работы существует определенный пусковой ток. Применение схемы управления на основе технологии коммутационного трансформатора может эффективно снизить пусковой ток в процессе параллельной работы с самосинхронизацией, снизить риски параллельной работы и обеспечить долгосрочную эффективную и стабильную работу сети.

II. Выбор ключевого оборудования и технические параметры комбинированных систем "Дизельный генератор - трансформатор"

2.1 Ключевые моменты выбора дизельного генератора
Выбор дизельного генератора требует комплексного учета множества факторов, таких как условия установки, характеристики нагрузки и требования к эксплуатации. В районах высокогорья следует выбирать специально разработанные дизельные генераторы высокогорного типа, чтобы гарантировать, что номинальная выходная мощность может поддерживаться в условиях низкого содержания кислорода. Например, спецификации дизельного генератора, используемого в проекте водохранилища Нонглицо в городе Чамдо, Тибет: CXXXDX, XXXкВт, X.XкВ, cosΦ=0.X, конструкция высокогорного типа.

Ключевые параметры выбора включают:

• Номинальная мощность: Определяется на основе максимального спроса на нагрузку, с соответствующим запасом

• Номинальное напряжение: Соответствует уровню напряжения трансформатора

• Коэффициент мощности: Обычно 0.8-1.0

• Пусковые характеристики: Удовлетворяют требованиям к пусковому току двигателя

2.2 Руководство по выбору трансформатора
Как основное оборудование для преобразования электроэнергии, выбор трансформатора напрямую влияет на эффективность и надежность всей системы. Сухие трансформаторы широко используются в гибридных системах электроснабжения благодаря своим хорошим противопожарным свойствам, простому обслуживанию и сильной защите окружающей среды.

Таблица: Основные параметры выбора сухих трансформаторов

Дополнительные соображения при выборе:

• Характеристики нагрузки: Для ударных нагрузок (например, пуск двигателя) выбирайте модели с перегрузочной способностью ≥1.5 раза

• Стандарты энергоэффективности: Соответствие последнему национальному стандарту GB 20052-2024 класс энергоэффективности, выбирайте уровень 1 для длительной работы

• Способ охлаждения: Естественное воздушное охлаждение (AN) для малой мощности (<800кВА), принудительное воздушное охлаждение (AF) для большой мощности/высокотемпературной среды

• Защита окружающей среды и безопасность: Модели без эпоксидной смолы (перерабатываемые материалы), класс пожарной безопасности F1 (негорючий при 950℃/3ч)

Для сценариев применения УВН, таких как повышающие трансформаторы 1000кВ для электростанций, необходимо следовать техническим спецификациям DL/T 1409-2015, которые строго определяют технические параметры, конструкцию, требования к изоляции, испытания и обнаружение и т.д., чтобы обеспечить стабильную работу оборудования в сложных условиях эксплуатации.

III. Проектирование и план реализации комбинированных систем "Дизельный генератор - трансформатор"

3.1 Проектирование основной схемы подключения
Проектирование основной схемы подключения комбинированной системы дизельного генератора и трансформатора должно быть комплексно рассмотрено на основе таких факторов, как класс нагрузки, количество источников питания и режим работы. Для случаев с высокими требованиями к надежности может использоваться способ подключения с двумя источниками питания 10кВ в сочетании с дизельными генераторами.

Типичные схемы подключения следующие:

1. Приоритет сети: Два сетевых источника питания сначала переключаются через переключатель двойного питания

2. Резерв генератора: Выход сети и выход генератора затем переключаются через АВР во второй раз

3. Логика блокировки: Гарантировать, что генератор и сеть не подают питание одновременно, предотвращая несинхронизированное параллельное включение и обратную подачу в сеть

Для сложных сценариев, таких как крупные гидроэлектростанции, проектирование главной электрической схемы является основной частью электрического проектирования. Когда количество установленных агрегатов гидроэлектростанции велико и единичная мощность агрегатов не очень велика, форма соединения между генератором и главным трансформатором относительно разнообразна, и разумный способ подключения должен определяться путем комплексного технико-экономического сравнения.

3.2 Стратегия защиты и управления
Защита и управление комбинированной системой являются ключевыми для обеспечения безопасной работы, в основном включая:

• Обнаружение и запуск: Мониторинг в реальном времени напряжения шины, автоматический запуск генератора при потере напряжения на шине

• Управление переключением: Автоматическое переключение на шину после достижения генератором номинальных параметров, автоматическое переключение обратно на сеть после восстановления сети

• Координация защиты: Установить полную защиту от перегрузки по току, короткого замыкания, замыкания на землю для обеспечения селективности координации

• Управление импедансом: Динамическая регулировка параметров управления фазовой автоподстройкой частоты путем онлайн-измерения значения импеданса сети для повышения стабильности системы

Новое решение для системы электроснабжения высокого напряжения на электростанции уменьшает ток пути, подаваемый на секцию шины, и избегает недостатка частого дисбаланса нагрузки между двумя ответвлениями разделения в традиционной схеме разделительного трансформатора с расщепленной обмоткой, путем отдельного подключения генератора баланса мощности к стороне низкого напряжения главного трансформатора через повышающий трансформатор с двумя обмотками.

IV. Решения для особых случаев применения комбинированных систем "Дизельный генератор - трансформатор"

4.1 Применение в высокогорных районах
Высокогорная окружающая среда создает особые проблемы для работы дизельных генераторов и трансформаторов. Условия низкого содержания кислорода влияют на эффективность сгорания дизельных двигателей, а большая высота также влияет на эффект рассеивания тепла и прочность изоляции трансформаторов. Для таких сред необходимо использовать оборудование специального высокогорного типа и обеспечивать надежность системы с помощью таких мер, как снижение нагрузки или усиленная изоляция.

4.2 Применение на гидроэлектростанциях
Компоновка главного трансформатора и распределительного устройства напряжения генератора в подземном машинном зале крупной гидроэлектростанции является ключевой частью общей компоновки подземного машинного зала, которая окажет большое влияние на компоновку машинного зала, гражданские конструкции, схему вентиляции и другие аспекты. В этом случае необходимо комплексно учитывать требования к компоновке оборудования, вентиляции и теплоотводу, а также техническому обслуживанию и другие многочисленные требования для оптимизации общей компоновки.

4.3 Применение с нелинейными нагрузками
Для нелинейных нагрузок, таких как частотные преобразователи и выпрямители, традиционные конструкции трансформаторов не могут удовлетворить требования. Для таких сценариев применения следует выбирать трансформаторы, устойчивые к гармоникам, с коэффициентом К ≥13, чтобы предотвратить перегрев и повреждение, вызванные гармониками, и обеспечить долгосрочную стабильную работу системы.

V. Анализ устойчивости и импедансных характеристик комбинированных систем "Дизельный генератор - трансформатор"

Импедансные характеристики гибридной системы электроснабжения трансформатора и дизельного генератора напрямую влияют на устойчивость системы и качество электроэнергии. Путем создания точных моделей импеданса можно оптимизировать проектирование системы и стратегии управления.

Исследования показывают, что учет множества влияющих факторов, таких как процесс преобразования координат, импеданс порта и нагрузка постоянной мощности, создание высокостабильной модели импеданса для гибридной системы электроснабжения трансформатора и дизельного генератора может значительно повысить точность результатов анализа импедансных характеристик. Результаты тестовых примеров показывают, что степень соответствия результатов анализа импеданса прямой последовательности может быть улучшена на 20%-30%, а степень соответствия результатов анализа импеданса обратной последовательности может быть улучшена на 11%-13%.

Этот точный метод моделирования импеданса обеспечивает научную основу для анализа устойчивости системы и настройки параметров управления, особенно в современных системах распределения, содержащих большое количество силовых электронных устройств, его ценность более заметна.

VI. Будущие тенденции развития комбинированных систем "Дизельный генератор - трансформатор"

6.1 Интеллектуальное обновление
Последние тенденции в трансформаторной промышленности в 2025 году указывают на то, что интеллектуальное обновление стало необратимым направлением. Конкретные проявления включают:

• Встроенные датчики IoT: Мониторинг в реальном времени таких параметров, как температура, влажность, частичный разряд и т.д.

• Удаленная эксплуатация и техническое обслуживание: Осуществить удаленный мониторинг и техническое обслуживание через передачу данных 4G/5G

• Интеллектуальная диагностика: Прогнозирование отказов и управление состоянием на основе больших данных и искусственного интеллекта

6.2 Компактная конструкция
Для адаптации к сценариям применения с ограниченным пространством компактная конструкция стала важным направлением исследований для производителей оборудования. Новые трансформаторы с уменьшением объема на 20% по сравнению с традиционными моделями нашли применение в различных областях.

6.3 Адаптация к возобновляемой энергии
По мере постоянного увеличения доли возобновляемой энергии системы дизельных генераторов и трансформаторов также должны адаптироваться к этому изменению. Специальные трансформаторы для фотоэлектрических систем/накопления энергии поддерживают 150% устойчивости к обратной мощности, что обеспечивает техническую основу для интеграции возобновляемых источников энергии.

Заключение
Гибридная система электроснабжения, сочетающая дизельные генераторы и трансформаторы, может создавать высоконадежные, высокогибкие решения по распределению электроэнергии за счет разумного выбора оборудования, научного проектирования систем и передовых стратегий управления. По мере непрерывного развития интеллектуальных, компактных технологий и технологий адаптации к возобновляемой энергии эта система будет играть важную роль в более широком диапазоне областей, обеспечивая безопасное, надежное, экономичное и эффективное энергоснабжение для всех отраслей.

В реальной инженерии проектировщикам необходимо выбирать подходящую архитектуру системы и конфигурацию оборудования на основе конкретных сценариев применения, характеристик нагрузки и требований к надежности, чтобы гарантировать работу гибридной системы электроснабжения в оптимальном состоянии и удовлетворить разнообразные потребности пользователей в электроэнергии.