Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχ. Υπολογιστών Τοµέας Ηλεκτρικής Ενέργειας. ιπλωµατική εργασία

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχ. Υπολογιστών Τοµέας Ηλεκτρικής Ενέργειας ιπλωµατική εργασία Σύστηµα ελέγχου αεριοστροβίλου στο σταθµό ηλεκτροπαραγωγής συνδυασµένου κύκλου Ενεργειακής Θεσσαλονίκης Χρήστος Π. Σκαρλατάκης Επιβλέποντες: Αν. Μπακιρτζής, Καθηγητής Α.Π.Θ. Σπ. Κιαρτζής, ρ. Ηλεκτρολόγος Μηχανικός, ΕΛ.ΠΕ. Μάιος 2006

2 2

3 Περιεχόµενα Περίληψη 7 Ευχαριστίες 9 1 Εισαγωγή Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Το ενεργειακό τοπίο στην Ελλάδα Το ηλεκτρικό δίκτυο Απελευθέρωση αγοράς και ϑεσµικό πλαίσιο Ο όµιλος των ΕΛ.ΠΕ. και ο σταθµός ΕΝ.ΘΕΣ Ελεγχος και µοντελοποίηση µονάδων συνδυασµένου κύκλου Το σύστηµα της General Electric Ελεγχος στροφών στροβιλογεννήτριας Εισαγωγή στον έλεγχο στροφών Αναγκαιότητα και σηµασία του ελέγχου ηλεκτρικής παραγωγής Βασικό µοντέλο ελέγχου Το σύστηµα της General Electric Υλικό Το σύστηµα καυσίµου Λειτουργίες ελέγχου οκιµές Σταθµού και συµµόρφωση µε τον Κώδικα ιαχείρισης Πρωτεύουσα εφεδρεία και ϱύθµιση συχνότητας ευτερεύουσα εφεδρεία και ϱύθµιση συχνότητας Ρυθµοί µεταβολής ενεργού ισχύος Εντολές κατανοµής ϕορτίου από ΕΣΜΗΕ Λοιπές διατάξεις του Κώδικα ιαχείρισης Εκκίνηση αεριοστροβίλου Το πρόβληµα της εκκίνησης Το σύστηµα εκκίνησης της General Electric Αρχική περιστροφή

4 3.2.2 LCI LS Απόδοση συστήµατος οκιµές Σταθµού και συµµόρφωση µε τον Κώδικα ιαχείρισης Χρόνοι εκκίνησης ιαταραχές τάσης/ρεύµατος και ποιότητα ισχύος Ευστάθεια ηλεκτρικών δικτύων Εισαγωγή Ανάλυση ευστάθειας Οριακή λειτουργία, διάγραµµα Ρ-δ ιέγερση γεννήτριας ιάγραµµα λειτουργίας Άεργος ισχύς, παραγωγή και ϱύθµιση ιαγράµµατα Q-V, P-V Ελεγχος και ϱύθµιση τάσης, οριακές συνθήκες Συστήµατα διέγερσης και υποσυστήµατα A.V.R Συστήµατα PSS Συγχρονισµός µονάδας Βασικό σχήµα Ελεγχος συχνότητας, οριακές συνθήκες Το κριτήριο Ν Το σύστηµα διέγερσης της General Electric Υλικό Εφαρµογές Ρύθµιση στο σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ οκιµές Σταθµού και συµµόρφωση µε τον Κώδικα ιαχείρισης Λειτουργία εντός ορίων - ϱύθµιση τάσης/άεργου Ικανότητα παραγωγής άεργου Ευστάθεια µονάδας Προστασία Μονάδας Προστασία στροβίλου Υπερτάχυνση Υπερθέρµανση Παρακολούθηση ϕλόγας Παρακολούθηση καύσης και συµπιεστή ονήσεις άξονα Το σύστηµα προστασιών στροβίλου της General Electric Προστασία γεννήτριας

5 5.3.1 Τύποι διακοπών (tripping schemes) Προστασία στάτη σε σφάλµα µεταξύ ϕάσεων (87G) Προστασία στάτη σε σφάλµα προς γη (59GN, 64G1, 64G2, 27TN) Προστασία ουδέτερου σε σφάλµα προς γη (51GN) Προστασία δροµέα σε σφάλµα προς γη (64EX) Απόκλιση συχνότητας (81O/U) Προστασία από υπέρταση (59), υπόταση (27), και υπερδιέγερση (24) Απώλεια διέγερσης (40) Απώλεια συγχρονισµού (78) Μετατόπιση ουδέτερου / ανισορροπία ϱεύµατος (46) Ανάστροφη ισχύς (32) Τυχαία ενεργοποίηση (AE, 50RE) Απώλεια σήµατος µετασχηµατιστή τάσης (VTFF, 60) System backup, ηλεκτρονόµοι απόστασης / υπερρεύµατος (87U, 21, 51V) Αστοχία διακόπτη γεννήτριας (27BS) Το σύστηµα προστασιών γεννήτριας της General Electric Συµµόρφωση µε τον Κώδικα ιαχείρισης Απαιτούµενες προστασίες Αποκλίσεις συχνότητας Συµπεράσµατα Σύνοψη εργασίας στην Αγγλική γλώσσα Introduction The Greek electrical grid Deregulation of Greek electricity market Combined cycle modeling Overall GE system Turbine control Compliance with the Greek Grid Code Unit start-up LCI LS Compliance with the Greek Grid Code Stability and generator control Compliance with the Greek Grid Code Unit protection Turbine protection

6 7.5.2 Generator protection Compliance with the Greek Grid Code Παράρτηµα 1 - Η αρχιτεκτονική T.M.R. 207 Παράρτηµα 2 - Ακολουθία εκκίνησης 211 Παράρτηµα 3 - Τεχνικά χαρακτηριστικά στροβιλογεννήτριας 217 Βιβλιογραφία 219 6

7 Περίληψη Το κείµενο αυτό αποτελεί διπλωµατική εργασία που εκπονήθηκε για το Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχ. & Μηχ. Η/Υ του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης, κατά την περίοδο Το αντικείµενο µελέτης του είναι ο αυτόµατος έλεγχος του αεριοστροβίλου κατασκευής General Electric, όπως εγκαταστάθηκε στο σταθµό ηλεκτροπαραγωγής συνδυασµένου κύκλου της Ενεργειακής Θεσσαλονίκης Α.Ε., στις ϐιοµηχανικές εγκαταστάσεις Θεσσαλονίκης του οµίλου των Ελληνικών Πετρελαίων. Στο κείµενο παρουσιάζεται η µέθοδος της General Electric για τον έλεγχο του αεριοστροβίλου και την ϐέλτιστη λειτουργία του, σε διάταξη συνδυασµένου κύκλου. Σε κάθε κεφάλαιο, δίνεται η απαραίτητη ϑεωρητική ανάλυση µε σκοπό να προετοι- µάσει τον αναγνώστη για την λεπτοµερή περιγραφή του συστήµατος ελέγχου. Πα- ϱουσιάζονται όλα τα µέρη του συστήµατος µαζί µε τις παραµέτρους λειτουργίας τους, όπως έχουν ϱυθµιστεί στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ.. Ιδιαίτερο ϐάρος δίνεται στην προσαρ- µογή του σταθµού στις απαιτήσεις του Κώδικα ιαχείρισης και Συναλλαγών του.ε.σ.μ.η.ε., αφού είναι ο πρώτος ελληνικός ιδιωτικός σταθµός ηλεκτροπαραγωγής που λειτουργεί στο νέο απελευθερωµένο πλαίσιο αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Η κύρια πηγή για τη σύνταξη του κειµένου ήταν το υλικό που παραδόθηκε από τους κατασκευαστές (General Electric, VA-Tech) στη διοίκηση του σταθµού, καθώς και µια µεγάλη ϐιβλιογραφία που αποτελείται από πανεπιστηµιακά συγγράµµατα, τεχνικά κείµενα και επιστηµονικές δηµοσιεύσεις. Μεγάλη σηµασία έχει δοθεί στο σχεδιασµό των διαγραµµάτων και στην παρουσίαση του ϕωτογραφικού υλικού, µε σκοπό να συνεισφέρουν στην καλύτερη κατανόηση του συνόλου από τον αναγνώστη. Τέλος, το κείµενο αυτό αποδίδει πιστά την λειτουργία του σταθµού και απευθύνεται σε αναγνώστες µε σχετική εξοικείωση σε ϑέµατα µηχανολογίας, ηλεκτρολογίας και ηλεκτρονικής. Ωστόσο, δεν πρέπει σε καµιά περίπτωση να ϑεωρηθεί ως τεχνικό εγχειρίδιο του εξοπλισµού του σταθµού ή να χρησιµοποιηθεί στη ϑέση των αντίστοιχων κειµένων των κατασκευαστών. 7

8 8

9 Ευχαριστίες Η εργασία αυτή ολοκληρώθηκε µε την ϐοήθεια πολλών ατόµων, η συνεισφορά των οποίων υπήρξε σηµαντική για το τελικό αποτέλεσµα. Η κατεύθυνση του κειµένου και τα ϑεωρητικά µέρη κάθε κεφαλαίου στηρίχτηκαν στα συγγράµατα του κ. Αναστάσιου Μπακιρτζή, Καθηγητή Α.Π.Θ. Ειδικότερα, τα κεφάλαια της ϱύθµισης παραγωγής από την Ανάλυση Σ.Η.Ε., όπως διδάσκονται στο Τµήµα Ηλ. Μηχ. του Α.Π.Θ., αποτέλεσαν τη ϐάση για την εκτενή ανάλυση του ϑέµατος. Η επίβλεψη της εργασίας έγινε από τον κ. Σπύρο Κιαρτζή, ρ. Ηλεκτρολόγο Μηχ. του οµίλου ΕΛ.ΠΕ. Η συµβολή του κατά την συγγραφή του κειµένου υπήρξε παραπάνω από διορθωτική, λόγω της κατανόησής του στα ϑέµατα της ηλεκτρολογίας, καθώς και της εξοικίωσής του µε τον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ. και το γενικότερο πλαίσιο της ελληνικής αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Από την πλευρά των Ελληνικών Πετρελαίων, ϑα ήθελα να ευχαριστήσω το προσωπικό του σταθµού ΕΝ.ΘΕΣ. για το ϑερµό κλίµα συνεργασίας, µέσα στο οποίο ολοκληρώθηκε η εργασία αυτή. Ιδιαίτερα ευχαριστώ τον κ. ηµήτρη Καραδήµα, σύµβουλο τεχνικών υπηρεσιών της εταιρείας Asprofos, για την πολύτιµη ϐοήθεια που προσέφερε σε όλη την περίοδο της συγγραφής, καθώς και για τις λεπτοµερείς επισηµάνσεις του στα τεχνικά ϑέµατα του σταθµού. Οφείλω, επίσης, να ευχαριστήσω τους κ. Μιχάλη Τερζή και κ. Θωµά Χατζηστεργίου για τις υποδείξεις τους στην λειτουργία του σταθµού, καθώς και για τις διευκόλυνσεις σε πρόσβαση χώρων και υλικού που παρείχαν στο διάστηµα αυτό. Ακόµη, ευχαριστώ ϑερµά τον κ. Γιώργο Καλτσά, διευθυντή του σταθµού και την κα. έσποινα Χαλκίδου για την πολύτιµη συνεργασία τους. Οφείλω, ακόµη, ευχαριστίες στον κ. Charles Will και κα. Ann- Marie Allen από το εκπαιδευτικό τµήµα της General Electric για την ανταπόκρισή τους στις ερωτήσεις και στην παροχή υλικού, καθώς και τον κ. Γιώργο Παναγιωτάκη, από το ελληνικό τµήµα της GE. Τέλος, ευχαριστώ τους κκ. Adam Drewitt, Michael East και Mark Field από την RWE-npower, για τις διευκρινίσεις τους στην λειτουργία του σταθµού και για την ανταπόκρισή τους στην παροχή του αναγκαίου υλικού. Χρήστος Π. Σκαρλατάκης Μάιος

10 10

11 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Η σύγχρονη τάση στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι η κατασκευή µονάδων µικρής και µεσαίας ισχύος, κατανεµηµένων οµοιόµορφα στο δίκτυο. Η πρακτική αυτή παρέχει µεγάλη ευελιξία στο συνολικό δίκτυο, ενώ προσφέρει πλεονεκτήµατα όπως ίση κατανοµή ϕορτίων στις µονάδες, εύκολη συντήρηση και αναβάθµιση ε- γκαταστάσεων, και κυρίως µεγάλη αντοχή σε ϕαινόµενα αποσταθεροποίησης και γρήγορη ανάκαµψη από αυτά. Σε αυτές τις συνθήκες ανάπτυξης, η µέθοδος παραγωγής του συνδυασµένου κύκλου ϐρίσκει µεγάλη ανταπόκριση, καθώς προσφέρει µεγάλο ϐαθµό απόδοσης (µεγαλύτερο από 50%), µικρούς χρόνους εκκίνησης, ταχύτατη ϱύθµιση ισχύος, χαµηλότερη ϱύπανση στο περιβάλλον, ενώ ανάλογα µε την µονάδα, παράγοντες όπως ο χρόνος κατασκευής και απαιτούµενη έκταση είναι πολύ µικρότεροι των συνηθισµένων. Για αυτούς τους λόγους, οι µονάδες συνδυασµένου κύκλου προσφέρονται για εγκατάσταση κοντά στα αστικά κέντρα, µειώνοντας τις απώλειες στις γραµµές µετα- ϕοράς, προς µια οικονοµικότερη λειτουργία του δικτύου. Το συνολικό κόστος για την κατασκευή µονάδων συνδυασµένου κύκλου είναι αρκετά µικρότερο από αυτό των συνηθισµένων ϑερµικών µονάδων, επιτρέποντας έτσι σε ιδιώτες να εισαχθούν στην αγορά ηλεκτρισµού. Επιπρόσθετα, σε συνθήκες έντονης ϕόρτισης του δικτύου ή περιπτώσεις έκτακτης ανάγκης, οι µονάδες αερίου αποδεικνύονται κυρίαρχες στην ανάκαµψη και σταθε- ϱοποίηση του δικτύου, λόγω της άµεσης εκκίνησης και ένταξης. Αυτός ήταν και ο κύριος λόγος που οδήγησε στην εγκατάσταση πολλών τέτοιων µονάδων στο ϐρετανικό και αµερικανικό σύστηµα, ειδικότερα µετά τις συνεχείς απώλειες παραγωγής στα µέσα της δεκαετίας του

12 1.2 Το ενεργειακό τοπίο στην Ελλάδα Το ηλεκτρικό δίκτυο Το ελληνικό ηλεκτρικό δίκτυο αποτελεί µια προσπάθεια που ξεκίνησε στις αρχές του 50, και µέχρι σήµερα επεκτείνεται και ϐελτιώνεται συνεχώς. Το µεγαλύτερο µέρος της παραγωγής - περίπου 60% - καλύπτεται από ατµοηλεκτρικές µονάδες µε καύσιµο λιγνίτη. Αυτό, διότι τα κοιτάσµατα λιγνίτη στην Ελλάδα προσφέρονται για µακροχρόνια κάλυψη των αναγκών ηλεκτρισµού, ενώ το κόστος του λιγνίτη περιο- ϱίζεται µόνο στην εξόρυξή του. Οι περισσότερες ατµοηλεκτρικές µονάδες ϐρίσκονται συγκεντρωµένες στο ενεργειακό τρίγωνο Πτολεµαΐδας-Φλώρινας-Κοζάνης, όπου εντοπίζονται και τα µεγαλύτερα κοιτάσµατα λιγνίτη. Η συγκέντρωσή τους στο ϐόρειο τµήµα της Ελλάδας, σε συνδυασµό µε την γεωγραφικά ασύµµετρη Ϲήτηση ενέργειας δηµιουργεί σοβαρά προβλήµατα στη µεταφορά και διανοµή του ηλεκτρισµού στους καταναλωτές. Το ελληνικό διασυνδεδεµένο σύστηµα έχει συνολική εγκατεστηµένη ισχύ ίση µε 12.3GW, µε αιχµή γύρω στα 9.3GW. Η ετήσια κατανάλωση το έτος 2004 ήταν περίπου 52.5 GWh. Λόγω της συνεχούς ανάπτυξης, η Ϲήτηση ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνεται µε υψηλούς ϱυθµούς, περίπου 4% ετησίως ή διαφορετικά, 2GWh επιπλέον ϕορτίου. Ταυτόχρονα, η αιχµή του συστήµατος συνεχώς ανεβαίνει, κάνοντας επιτακτική την ένταξη νέων µονάδων στο σύστηµα για την εξυπηρέτηση ϕορτίου ϐάσης - µε τους σηµερινούς ϱυθµούς χρειάζονται περίπου 400MW κάθε 2 έτη Απελευθέρωση αγοράς και ϑεσµικό πλαίσιο Μια απελευθερωµένη αγορά ενέργειας οφείλει να τηρεί τις εξής αρχές [19]: - οι τελικοί καταναλωτές πρέπει να είναι αποδεσµευµένοι από συγκεκριµένο προµηθευτή ενέργειας. Η αγορά πρέπει να δίνει την δυνατότητα ελεύθερης επιλογής του προµηθευτή. - πρέπει να διαχωρίζονται οι λειτουργίες παραγωγής και προµήθειας ενέργειας. - κανένας παράγοντας της αγοράς δεν µπορεί να έχει αποκλειστικά προνόµια οποιουδήποτε είδους. Με ϐάση αυτές τις αρχές, η απελευθέρωση της αγοράς ενέργειας έχει προχωρήσει σηµαντικά στα περισσότερα κράτη, ενώ σε άλλα ακόµη αναπτύσσεται. Στην Ελλάδα, η µετάβαση στο απελευθερωµένο µοντέλο ξεκίνησε µε την Κοινοτική Οδηγία 96/92 που έδινε τις αρχικές κατευθυντήριες γραµµές. Ο πρώτος νόµος που εφάρµοσε την 12

13 οδηγία ήταν ο 2773/99 (σε ισχύ από το 2001), ενώ αναθεωρήθηκε από τον 3175/03. Ο τελευταίος νόµος οριστικοποιεί τους κανόνες της απελευθέρωσης, αλλάζει το µοντέλο αγοράς από διµερή σε ηµερήσια, διαχωρίζει την παραγωγή από την εµπορία, και δηλώνει ότι οι επιλέγοντες πελάτες µπορούν να είναι όλοι οι ϐιοµηχανικοί και εµπορικοί από το 2005, και οι υπόλοιποι καταναλωτές από τον 7/2007. Ταυτόχρονα, ανοίγει το δρόµο για την απελευθέρωση της εµπορίας ϕυσικού αερίου για τους µεγάλους καταναλωτές, όπως αυτοί της ηλεκτροπαραγωγής [18]. Η Ρυθµιστική Αρχή Ενέργειας (ΡΑΕ) Η ΡΑΕ είναι µια ανεξάρτητη αρχή, και έχει κυρίως γνωµοδοτικές και εισηγητικές αρµοδιότητες σε όλα τα ϑέµατα του τοµέα ενέργειας. Σκοπός της είναι η προώθηση της απελευθέρωσης της αγοράς µε ϑεσµικό τρόπο, διευκολύνοντας τον ελεύθερο και υγιή ανταγωνισµό. Οπως και σε άλλα κράτη, η ανάγκη ύπαρξης µιας τέτοιας αρχής είναι προφανής, προκειµένου να εισηγηθούν οι απαραίτητες µεταρρυθµίσεις και τα µέτρα για την ανάπτυξη µιας ανταγωνιστικής αγοράς. Λόγω της ϐραχυχρόνιας ϕύσης της ηλεκτρικής αγοράς, δεν είναι ϐέβαιο ότι οι µηχανισµοί και οι συµµετέχοντες σ αυτήν µπορούν να επιτύχουν τους στόχους δηµοσίου συµφέροντος - η ΡΑΕ καλύπτει αυτήν την ανάγκη, και παρακολουθώντας τις διακυµάνσεις της αγοράς, προτείνει και εισηγείται τα αναγκαία µέτρα. Κύριοι στόχοι της είναι η επαρκής και αξιόπιστη τρο- ϕοδοσία όλων των καταναλωτών, η ασφάλεια τροφοδοσίας σε µακροχρόνια ϐάση, η ανάπτυξη των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας και η προστασία του περιβάλλοντος. Ο ιαχειριστής Ελληνικού Συστήµατος Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας ( ΕΣΜΗΕ) Στις µονοπωλιακές αγορές ενέργειας, ο κύριος παράγοντας του συστήµατος κατέχει την παραγωγή και την µεταφορά της ενέργειας. Ο συντονισµός των δυο λειτουργιών αποτελεί µια εσωτερική του υπόθεση, που κατά κανόνα υλοποιείται εύκολα, λόγω της ευχέρειας ελέγχου στα στοιχεία του δικτύου. Ετσι, ενώ ο παραδοσιακός ϱόλος της διαχείρισης του συστήµατος είναι η παραγωγή και η µεταφορά, στο απελευθερωµένο µοντέλο ο ϱόλος περιορίζεται υποχρεωτικά µόνο στην µεταφορά. Πλέον η διαχείριση γίνεται µια περισσότερο σύνθετη διαδικασία, αφού στο δίκτυο εντάσσονται και οι ανεξάρτητοι παραγωγοί, µε απαίτηση να συµµετέχουν και αυτοί µε ϱοές ισχύος. Με αυτή την έννοια, δηµιουργήθηκε ο ΕΣΜΗΕ ως Ανώνυµη Εταιρεία, µε τον αποκλειστικό ϱόλο της διαχείρισης του συστήµατος και την υλοποίηση του µοντέλου της ηµερήσιας αγοράς ενέργειας. Ουσιαστικά, περιήλθε σάυτόν το τµήµα ϱύθµισης, διαχείρισης και µεταφοράς της ΕΗ, όπως αυτό λειτουργούσε τα προηγούµενα 13

14 Σχήµα 1.1 Ο σταθµός ηλεκτροπαραγωγής Ενεργειακή Θεσσαλονίκης. χρόνια, αφήνοντας στην ΕΗ µόνο το τµήµα της παραγωγής και διανοµής. Ο ΕΣΜΗΕ, σύµφωνα µε τον Κώδικα ιαχείρισης Συστήµατος και Συναλλαγών [10] 1 που έχει εκδώσει, δηµοσιεύει τους κανόνες σύµφωνα µε τους οποίους ένας ανεξάρτητος παραγωγός µπορεί να συνδεθεί στο σύστηµα µεταφοράς και να εµπορευθεί ηλεκτρική ενέργεια, διασφαλίζοντας την ακεραιότητα του δικτύου και των υπολοίπων παραγωγών. Επίσης, ο ΕΣΜΗΕ δέχεται τις ηµερήσιες προσφορές ισχύος από αυτούς και προχωρά στην αγορά ενέργειας µε στόχο την κάλυψη της απαιτού- µενης ισχύος (ΗΕΠ). Τέλος, συνεργάζεται µε τις µονάδες εκτελώντας τον δευτερογενή έλεγχο παραγωγής (ανάλυση στο Κεφ.2), και µε τους χειρισµούς του προφυλάσσει το σύστηµα από επικίνδυνα ϕαινόµενα αστάθειας. 1.3 Ο όµιλος των ΕΛ.ΠΕ. και ο σταθµός ΕΝ.ΘΕΣ. Ο όµιλος των Ελληνικών Πετρελαίων είναι ο πρώτος ιδιωτικός ϕορέας που προχώρησε ενεργά στην παραγωγή ενέργειας, στο νέο πλαίσιο της απελευθερωµένης αγοράς. Η κίνηση έγινε λόγω της εµπειρίας του οµίλου στην ηλεκτροπαραγωγή (συµπαραγωγή στο διυλιστήριο Ασπροπύργου), ενώ οι ανάγκες του σε ηλεκτρισµό είναι τέτοιες που µπορούν να απορροφήσουν σηµαντικό µέρος της παραγωγής 2. Άλλωστε, ο όµιλος των ΕΛ.ΠΕ. ανήκει στους επιλέγοντες πελάτες ηλεκτρισµού, 1 Η τελευταία αναθεωρηµένη έκδοση του Κώδικα ιαχείρισης και Συναλλαγών εκδόθηκε την 17η Μαΐου Η συνολική κατανάλωση στις εγκαταστάσεις Ασπροπύργου ϕτάνει τα 50MW, στις εγκαταστάσεις Ελευσίνας ϕτάνει τα 15MW, ενώ στις εγκαταστάσεις Θεσσαλονίκης ϕτάνει τα 32MW. 14

15 όπως αυτοί ορίζονται από τον νόµο 3175/03. Σε ότι αφορά το ϕυσικό αέριο, ο όµιλος συµµετέχει µε ποσοστό 35% στο µετοχικό κεφάλαιο της ΕΠΑ, ενώ έχει αναπτύξει δραστηριότητες παραγωγής και έρευνας γύρω από το ϕυσικό αέριο. Το έργο του σταθµού συνδυασµένου κύκλου της Ενεργειακής Θεσσαλονίκης (ΕΝ.ΘΕΣ., Σχ. 1.1) ολοκληρώθηκε µέσα σε 2,5 χρόνια. Η χρηµατοδότηση του έργου έγινε από τον ίδιο τον όµιλο σε ποσοστό 30%, και από δανειοδότηση σε ποσοστό 70% (εγγύηση ΕΛ.ΠΕ.), ενώ το συνολικό κόστος ανήλθε σε 250 εκ.e. Σχετικά µε την κατασκευή, οι δυσκολίες που αντιµετωπίστηκαν ήταν αρκετές, δεδοµένου του ότι ο σταθµός είναι ο πρώτος ιδιωτικός σταθµός ηλεκτροπαραγωγής στην Ελλάδα. Παρουσιάστηκαν σηµαντικές καθυστερήσεις στην έκδοση των απαιτούµενων αδειών (πολεοδοµία, χρήση αιγιαλού), στην διεκπεραίωση των προσφυγών από δήµους στο Συµβούλιο της Επικρατείας, ενώ τα προβλήµατα απαλλοτριώσεων για την εναέρια σύνδεση στο δίκτυο οδήγησαν στην υπογείωση της σύνδεσης µήκους 4.6χλµ, µέσω καλωδίου (400kV, XLPE). Τελικά, ο σταθµός ϐρίσκεται σε εµπορική λειτουργία από την 24/12/2005. Η µελλοντική στρατηγική του οµίλου στον τοµέα της ηλεκτροπαραγωγής ϑα κα- ϑοριστεί κυρίως από την οικονοµική απόδοση του σταθµού ΕΝ.ΘΕΣ. [18]. Το αρχικό πλάνο λειτουργίας είναι η κάλυψη των αναγκών του οµίλου, η πώληση ενέργειας στο ηµερήσιο σύστηµα αλλά και σε επιλέγοντες πελάτες, καθώς και η παροχή επικουρικών υπηρεσιών δικτύου (σταθεροποίηση κλπ). 1.4 Ελεγχος και µοντελοποίηση µονάδων συνδυασµένου κύκλου Οι µελετητές των συστηµάτων ηλεκτρικής ενέργειας προσπαθούν να κατασκευάσουν νέα µοντέλα για την ανάλυση των σύγχρονων δικτύων. Μονάδες παραγωγής, γραµµές µεταφοράς καθώς και τρόποι κατανοµής ϕορτίων µελετώνται συνεχώς και αναλύονται διεξοδικά, προκειµένου να δοµηθούν γενικευµένα, αλλά όσο το δυνατόν περισσότερο περιγραφικά µοντέλα, που ϑα ϐοηθήσουν στην καλύτερη κατανόηση της συµπεριφοράς των δικτύων και στον ϐέλτιστο προγραµµατισµό της παραγωγής. Οι µονάδες παραγωγής συνδυασµένου κύκλου περιβάλλονται από πληθώρα µελετών ως προς την δυναµική συµπεριφορά τους, ωστόσο δεν έχει γίνει κοινά αποδεκτή µια ϑεωρία που να τις περιγράφει πλήρως. Αυτό οφείλεται στο ότι, οι σταθµοί συνδυασµένου κύκλου διαφέρουν από τους συµβατικούς ϑερµικούς ή ατµοηλεκτρικούς στην πολυπλοκότητά τους. Τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους, οι ιδιαιτερότητες ελέγχου και ϱύθµισης κατά την κανονική λειτουργία, αλλά και ο τρόπος αντι- µετώπισης διαταραχών και ασταθών καταστάσεων κάνουν την µοντελοποίηση τέτοιων 15

16 Σχήµα 1.2 Η µέθοδος συνδυασµένου κύκλου. σταθµών ιδιαίτερα δύσκολη 3. Ακόµη, σε τέτοιες καταστάσεις, οι µονάδες πρέπει να µειώσουν ή να αυξήσουν απότοµα (αλλά ελεγχόµενα και µε προβλέψιµη συµπερι- ϕορά) την ισχύ τους, µε ϱυθµό πολύ µεγαλύτερο των συνηθισµένων. Μια γενικευµένη προσέγγιση µοντέλου συνδυασµένου κύκλου, µπορεί να χαρακτηριστεί η Ϲεύξη ενός αεριοστροβίλου και ενός ατµοστροβίλου, µέσω ενός εναλλάκτη ϑερµότητας (Σχ. 1.2). Στον συµπιεστή του αεριοστροβίλου εισάγεται και συµπιέζεται ατµοσφαιρικός αέρας, αναφλέγεται µε καύσιµο στους ϑαλάµους καύσης και εκτονώνεται στις ϐαθµίδες του στροβίλου. Τα καυσαέρια που προκύπτουν ϐρίσκονται σε υψηλή ϑερµοκρασία και διοχετεύονται σε εναλλάκτη ϑερµότητας, όπου η ενέργειά τους παράγει ατµό που εκτονώνεται στις ϐαθµίδες του ατµοστρόβιλου. Η ισχύς της µονάδας είναι η ισχύς των δυο ϑερµικών κύκλων, µε προσφορά περίπου 2/3 από το αέριο και 1/3 από τον ατµό. Η συνολική απόδοση ϐελτιώνεται σηµαντικά µε την ένωση των 2 αυτών ϑερµικών κύκλων. Αν και η υλοποίηση συνδυασµένου κύκλου µπορεί να διαφέρει από σταθµό σε σταθµό (µονός ή διπλός άξονας, πλήθος στροβίλων και εναλλακτών) µε αρκετούς συνδυασµούς, η αρχή λειτουργίας παραµένει ίδια και µπορεί να αποτελέσει την ϐάση ανάλυσης για διαφορετικές µονάδες. Το µοντέλο ελέγχου που προτείνεται στη ϐιβλιογραφία [21, 22, 23] και υιοθετή- ϑηκε στη παρούσα εργασία, διαφέρει σηµαντικά από τη ϕυσική δοµή του συνδυασµένου κύκλου (Σχ. 1.3). ίνεται µεγάλο ϐάρος στην προσοµοίωση του αεροστροβίλου, αφού η συµπεριφορά του καθορίζει άµεσα την συµπεριφορά της µονάδας. Η δυναµική του εναλλάκτη συµµετέχει λιγότερο, ενώ ο ατµοστρόβιλος δεν επηρεάζει εµφανώς την συµπεριφορά της µονάδας. Ο λόγος αυτής της αντιµετώπισης οφείλεται στην ταχύτατη ϱύθµιση του αεριοστροβίλου και στην άµεση εµφάνιση αυτής στην έξοδό του (χρόνοι λίγων δευτερολέπτων), σε σχέση µε την απόκριση του εναλλάκτη 3 Το 1996 συνέβη στην Μαλαισία black-out µεγάλης έκτασης. Ακολουθώντας µια πτώση συχνότητας 1.5Hz, πολλές µονάδες συνδυασµένου κύκλου τέθηκαν εκτός λειτουργίας, µε συνολική απώλεια περίπου 5800MW. Παρά τις πολυάριθµες µελέτες που έγιναν για το γεγονός αυτό, δεν κατέστη ακόµη δυνατή η λεπτοµερής περιγραφή της δυναµικής συµπεριφοράς των µονάδων συνδ. κύκλου, κατά την διαταραχή της συχνότητας. 16

17 Σχήµα 1.3 Μοντέλο ελέγχου µονάδας συνδυασµένου κύκλου. (χρόνοι τάξης 100sec). Ετσι, η είσοδος στον ατµοστρόβιλο είναι η συνεχώς µεταβαλλόµενη απόκριση του αεροστροβίλου, ϕιλτραρισµένη µέσα από την δυναµική του εναλλάκτη, άρα κατά πολύ εξοµαλυµένη. Σε πολλά µοντέλα ανάλυσης, η συµµετοχή του ατµοστρόβιλου ενσωµατώνεται στον εναλλάκτη, ή αγνοείται τελείως [21, 22, 23]. Άλλωστε, στον συνδυασµένο κύκλο ο τρόπος λειτουργίας του ατµοστρόβιλου είναι αυτός της µεταβαλλόµενης πίεσης 4, µε αποτέλεσµα να έχει πολύ µικρή αποθηκευµένη ενέργεια. Το κύριο τµήµα του µοντέλου, εντοπίζεται στην προσοµοίωση του αεριοστροβίλου. Η ϐασική του µεταβλητή είναι η ποσότητα καυσίµου που εισάγεται στους ϑαλάµους καύσης. Η τιµή της καθορίζεται από τρεις ανεξάρτητους ϐρόγχους ελέγχου, τον έλεγχο ταχύτητας-ϕορτίου, τον περιορισµό ϑερµοκρασίας, και τον περιορισµό επιτάχυνσης. Από τις τρεις δυνατές τιµές που δίνουν οι ϐρόγχοι ελέγχου επιλέγεται η µικρότερη. Εξοδος του µοντέλου είναι η µηχανική ισχύς του αεριοστροβίλου και η γωνιακή του ταχύτητα. Ακόµη, κύριος στόχος στην ενεργειακή διαχείριση των µονάδων συνδυασµένου κύκλου είναι η διατήρηση υψηλής ϑερµοκρασίας ατµού, ακόµη και στην εξυπηρέτηση µικρών ϕορτίων, ώστε να κρατηθεί υψηλή η απόδοση. Επειδή όµως, η διαδικασία του ατµού εξαρτάται από τα καυσαέρια του αεριοστροβίλου, απαιτείται έλεγχος και ϱύθµιση της ϑερµοκρασίας τους. Αυτό επιτυγχάνεται µε την προσθήκη ϐαλβίδας παροχής αέρα I.G.V. 5 στην εισαγωγή του αεριοστροβίλου, καθορίζοντας έτσι την ϑερ- µοκρασία στον συµπιεστή και στα αέρια της καύσης. Η ϱύθµιση αυτή πρέπει να εισαχθεί στο µοντέλο της µονάδας, αφού έχει καθοριστικό ϱόλο στην συµπεριφο- ϱά της. Η ιδανικότερη ϑέση είναι παράλληλα στην παραπάνω διαδικασία, λόγω των 4 Sliding pressure mode: Ο ενδεικνυόµενος τρόπος λειτουργίας του ατµοστρόβιλου, µε την ϐαλβίδα παροχής ατµού να συµβάλλει ελάχιστα στην ϱύθµιση ισχύος του. Ο κύριος παράγοντας είναι η µετα- ϐαλλόµενη πίεση του ατµού που ϱυθµίζεται από την ϑερµοκρασία καυσαερίων του αεροστροβίλου. 5 I.G.V.: Inlet Guide Vane., ανάλυση στην ενότητα

18 Σχήµα 1.4 Το πλήρες σύστηµα της General Electric. αναδράσεων που δέχεται, και ακριβώς πριν από το µοντέλο του εναλλάκτη, λόγω της έµµεσης εξάρτησης των καυσαερίων από την ϐαλβίδα IGV. Τέλος, εισάγεται το µοντέλο του εναλλάκτη µαζί µε τον ατµοστρόβιλο, για τους λόγους που προαναφέρθηκαν. Συνήθως, ένα σύστηµα 2ης ή το πολύ 3ης τάξης προσοµοιώνει επαρκώς την συµπεριφορά των δυο αυτών στοιχείων, δίνοντας στην έξοδο την µηχανική ισχύ του ατµοστρόβιλου. Σηµειώνεται πως, το γενικευµένο µοντέλο που παρουσιάζεται προκύπτει από πλήθος δηµοσιεύσεων και µελετών του IEEE [21, 22, 23], ωστόσο, δεν ϕέρει επίση- µη αναγνώριση από το ινστιτούτο. Ο λόγος παρουσίασης στην διπλωµατική εργασία είναι για την καλύτερη κατανόηση του ελέγχου συνδυασµένου κύκλου, ενώ ως γενικευµένο µοντέλο δεν πρέπει να αποτελεί ϐάση µελετών και εξαγωγής συµπερασµάτων. 1.5 Το σύστηµα της General Electric Το σύστηµα που αναλύεται είναι αυτό που εγκαταστάθηκε στον σταθµό ηλεκτροπαραγωγής συνδυασµένου κύκλου Ενεργειακή Θεσσαλονίκης ισχύος 390MW, και λειτουργεί από την άνοιξη του Στο παρόν κείµενο, αναλύεται µόνο το τµήµα του αεριοστροβίλου και των ϐοηθητικών συστηµάτων του, όπως αυτά υλοποιούνται από την General Electric. Λόγω της πολυπλοκότητας της εφαρµογής, η General Electric χρησιµοποιεί ένα σύνολο διασυνδεδεµένων συστηµάτων και περιφερειακών οργάνων, προκειµένου να εφαρµοσθεί αποτελεσµατικός έλεγχος και ταχύτατη ϱύθµιση της στροβιλογεννήτριας. Η εταιρία, λόγω των απαιτήσεων της εφαρµογής, δίνει µεγάλο ϐάρος στην αδιάλειπτη λειτουργία του συνόλου σε ονοµαστικές συνθήκες για µεγάλα χρονικά διαστήµατα. 18

19 Τα κύρια συστήµατα που χρησιµοποιούνται για µια τυπική εφαρµογή αεριοστρο- ϐίλου κλάσης F, FA είναι τα εξής [7]: - Speedtronic MkVI, είναι το σύστηµα ϱύθµισης, ελέγχου και προστασίας του στροβίλου. Είναι επιφορτισµένο µε τις λειτουργίες συνεργασίας µεταξύ των συστηµάτων, καθώς και µε τη διασύνδεση του συνόλου της General Electric µε το κεντρικό σύστηµα ελέγχου (D.C.S. 6 ) του σταθµού. Αναλύεται στα Κεφάλαια 2 και 5. - LS 2100, είναι το σύστηµα εκκίνησης από στάση της στροβιλογεννήτριας. Εφαρµόζοντας τάση µεταβλητής συχνότητας στον στάτη της γεννήτριας και διέγερση στο δροµέα, την χρησιµοποιεί ως σύγχρονο κινητήρα για να προσδώσει αρχική ϱοπή στον άξονα, ώστε να ξεκινήσει η καύση. Αναλύεται στο Κεφάλαιο 3. - EX 2100, είναι το σύστηµα διέγερσης της γεννήτριας. Αναλαµβάνει τις ϱυθ- µίσεις τάσης, άεργου ισχύος και συντελεστή ισχύος σύµφωνα µε τις εντολές του DCS, τον έλεγχο ευστάθειας, καθώς και τις λειτουργίες προστασίας της γεννήτριας, που αφορούν τον δροµέα. Αναλύεται στα Κεφάλαια 4 και 5. - Generator protection, τα ψηφιακά και αναλογικά συστήµατα που παρακολου- ϑούν την γεννήτρια και την γραµµή ως τον µετασχηµατιστή ανύψωσης τάσης, και την προστατεύουν από επικίνδυνα ϕαινόµενα αστάθειας και σφάλµατα. Αναλύεται στο Κεφάλαιο 5. - Terminal boards, οι µονάδες που δέχονται τα σήµατα του Speedtronic, και ενεργούν στα ψηφιακά και αναλογικά εξαρτήµατα του στροβίλου. - H.M.I. 7, οι υπολογιστές ελέγχου του συνόλου, µέσω των οποίων δίνονται οι εντολές και παρακολουθείται η λειτουργία. Εκτελούν την εφαρµογή Cimplicity της GE, σε λειτουργικό σύστηµα MS Windows NT. - M.C.C. 8, τα συστήµατα ελέγχου των κινητήρων που υπάρχουν στις αντλίες, στον κλιµατισµό, σε διακόπτες και άλλες ϐοηθητικές λειτουργίες. Το διάγραµµα του συνόλου της General Electric δίνεται στο Σχ. 1.4, µαζί µε τις διασυνδέσεις των συστηµάτων και του DCS. Ο ϐαθµός ενοποίησης του συνόλου διατηρείται υψηλός, αφού για την εγκατάσταση απαιτούνται µόνο οι συνδέσεις καυσίµου, η σύνδεση στον διακόπτη γεννήτριας και η παροχή ηλεκτρικής ισχύος. Επίσης, µε την ενσωµάτωση των συστηµάτων στην 6 DCS: Distributed Control System. 7 HMI: Human Machine Interface. 8 MCC: Motor Control Center. 19

20 κοινή υπερκατασκευή PEECC 9 µειώνεται το συνολικό µήκος σχαρών και καλωδίων διασύνδεσης που απαιτούνται. 9 PEECC: Packaged Electrical and Electronic Control Compartment. 20

21 Κεφάλαιο 2 Ελεγχος στροφών στροβιλογεννήτριας 2.1 Εισαγωγή στον έλεγχο στροφών Αναγκαιότητα και σηµασία του ελέγχου ηλεκτρικής πα- ϱαγωγής Η παροχή αξιόπιστης ηλεκτρικής ενέργειας είναι µια µεγάλη τεχνολογική πρόκληση. Η ανταπόκριση στην Ϲήτηση ηλεκτρικής ενέργειας και η διατήρηση ενός εύρωστου δικτύου αποτελεί ένα πολύπλοκο και σύνθετο πρόβληµα. Η επίλυσή του απαιτεί έλεγχο και ϱύθµιση πραγµατικού χρόνου σε πολλές µονάδες παραγωγής, µεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας από δεκάδες γραµµές και διασυνδεδεµένα δίκτυα, ως την τελική παράδοση, µέσω των δικτύων διανοµής. Οι καταναλωτές απαιτούν να είναι διαθέσιµη η ηλεκτρική ενέργεια άµεσα, µε το κλείσιµο ενός διακόπτη. Αυτό δηµιουργεί έντονο πρόβληµα ϕόρτισης στα δίκτυα µεταφοράς, άρα και στις µονάδες παραγωγής. Βασική αρχή της λειτουργίας των ηλεκτρικών δικτύων, είναι ότι σε κάθε χρονική στιγµή η ηλεκτρική ενέργεια που πα- ϱάγεται είναι ίση µε την ενέργεια που καταναλώνεται. Ο περιορισµός αυτός εντείνεται και από την δυσκολία αποθήκευσης της ενέργειας αυτής, κυρίως για τεχνοοικονοµικούς λόγους, και οδηγεί αναγκαστικά στην παραγωγή ενέργειας άµεσα, την στιγµή που πρόκειται να καταναλωθεί. Ο ηλεκτρισµός, λόγω της ϕύσης του, ϱέει ελεύθερα από τις γεννήτριες ως τα ϕορτία κατανάλωσης µέσω όλων των δυνατών διαδροµών, κυρίως αυτών µε την ελάχιστη αντίδραση. Ετσι, η άρτια λειτουργία των ηλεκτρικών δικτύων είναι µια διαδικασία που απαιτεί ακριβή και ταχύτατα συστήµατα ελέγχου, εξειδικευµένα δίκτυα πληροφοριών, καταρτισµένο προσωπικό χειρισµού και προσεκτικό σχεδιασµό του συνολικού συστήµατος. 21

22 Σχήµα 2.1 Συµπτώµατα των µεταβολών συχνότητας, γύρω από την ονοµαστική τιµή της (ενδεικτικό διάγραµµα). Το κριτήριο που δείχνει κατά πόσο η παραγωγή ικανοποιεί ακριβώς την Ϲήτηση ενέργειας, είναι η συχνότητα του δικτύου. Η ιδανική τιµή της είναι η ονοµαστική τιµή f R, που επιτυγχάνεται για απόλυτη εξίσωση παραγωγής-ϲήτησης. Οταν η παραγωγή είναι µεγαλύτερη, η συχνότητα αυξάνεται, και αντίστροφα. Υποθέτοντας ευσταθές δίκτυο χωρίς µεταβατικά ϕαινόµενα, η συχνότητα του δικτύου είναι ίδια σε κάθε σηµείο του. Κάθε µεταβολή της συχνότητας σε τιµές πέρα από την ονοµαστική της (σφάλµα ϑέσης) είναι ανεπιθύµητη, και καταβάλλεται µεγάλη προσπάθεια για να εξαλειφθεί, επαναφέροντας την συχνότητα στην ιδανική τιµή της (Σχ. 2.1). Σε διαφο- ϱετική περίπτωση, επηρεάζονται οι µονάδες παραγωγής (ϕθορά πτερυγίων στροβίλου λόγω δονήσεων, τήξη τυλιγµάτων γεννήτριας), τα δίκτυα µεταφοράς (υπερθέρµανση, διαστολή εναέριων γραµµών, µεταβολές στην άεργο ισχύ) και ϕορτία καταναλωτών (πεδία κινητήρων, ηλεκτρονικά κυκλώµατα). Η ευστάθεια συχνότητας αναλύεται διεξοδικά στο 4ο κεφάλαιο. Για τους παραπάνω λόγους, εφαρµόζεται αυτόµατος έλεγχος στις µονάδες παραγωγής, µε στόχο την ικανοποίηση των απαιτήσεων του δικτύου σε κάθε χρονική στιγµή. Συγκεκριµένα [1], ο έλεγχος σε µια στροβιλλογεννητρια επιδρά στα εξής µεγέθη: - µόνο στις στροφές (εκκίνηση ή παραλληλισµός στο δίκτυο), - µόνο στην ισχύ (ενεργό και άεργο, συνεργασία µε το δίκτυο), - στην ισχύ και στις στροφές (στήριξη συχνότητας). 22

23 Σχήµα 2.2 Πλήρες σύστηµα ελέγχου στροβιλογεννήτριας Βασικό µοντέλο ελέγχου Ο ϱόλος του αυτόµατου ελέγχου µονάδας είναι να διατηρεί συνεχώς σταθερή την συχνότητα και να την επαναφέρει στη τιµή αναφοράς της, µετά από κάθε µεταβολή του ηλεκτρικού ϕορτίου (αυξοµειώσεις Ϲήτησης), ή µετά από µεταβολές του ϕορτίου αναφοράς 1 της µονάδας. Σε όλες τις περιπτώσεις, ο έλεγχος δρα στον ϱυθµιστή στροφών του στροβίλου και στον ϱυθµιστή τάσης της γεννήτριας (Σχ. 2.2). Ο ϱυθµιστής στροφών στον στρόβιλο προσδιορίζει την ϱοπή (άρα και την παραγόµενη ισχύ) στον άξονα του Ϲεύγους, και χρησιµοποιείται για τον έλεγχο ϕορτίου - συχνότητας (P-F) 2 της στροβιλογεννήτριας. Ο ϱυθµιστής τάσης (A.V.R.) 3 ϱυθµίζει την συνεχή τάση διέγερσης στον δροµέα της γεννήτριας, επιδρώντας έτσι στον έλεγχο τάσης-άεργου (V-Q) 4 ισχύος (παρακάτω, αναλύονται λεπτοµερώς οι ϱυθµιστές στρο- ϕών, ενώ οι ϱυθµιστές τάσης παρουσιάζονται στο Κεφ.5). Γενικότερα, κατά τη λειτουργία µιας στροβιλλογεννήτριας χωρίς σύνδεση στο ηλεκτρικό δίκτυο: - αύξηση στην παροχή καυσίµου οδηγεί σε αύξηση της ταχύτητας του άξονα, - αύξηση στην τάση διέγερσης οδηγεί σε αύξηση της τάσης στους πόλους της γεννήτριας, ενώ κατά τη λειτουργία µε σύνδεση στο ηλ. δίκτυο: - αύξηση στην παροχή καυσίµου οδηγεί σε αύξηση της παραγόµενης ενεργού ισχύος (MW), 1 Φορτίο αναφοράς ή ϕορτίο ϐάσης είναι το ηλεκτρικό ϕορτίο που καλείται να καλύψει η µονάδα, για το οποίο η συχνότητα στην έξοδο της µονάδας ισούται µε την ονοµαστική. Για κάθε άλλη τιµή του ϕορτίου, ϑα υπάρχει σφάλµα ϑέσης στην συχνότητα [2]. 2 Load-Frequency Control, LFC. 3 AVR: Automatic Voltage Regulator. 4 Voltage-Reactive Control, VQC. 23

24 Σχήµα 2.3 Μοντέλο αυτόµατου ελέγχου στροβιλογεννήτριας. Με D συµβολίζεται η ευαισθησία δ ως προς το ϕορτίο, και µε r ο στατισµός της µονάδας. - αύξηση στην τάση διέγερσης οδηγεί σε αύξηση της παραγόµενης άεργου ισχύος (MVar). Στο Σχ. 2.3, δίνεται το γενικό µοντέλο αυτόµατου ελέγχου µιας µονάδας παραγωγής που τροφοδοτεί ηλεκτρικό ϕορτίο [2]. Αποτελείται από τα επιµέρους µοντέλα του στροβίλου, του ϱυθµιστή στροφών, καθώς και από το µοντέλο της µάζας στροβιλογεννήτριας - ηλεκτρικού ϕορτίου. Το συνολικό µοντέλο έχει 2 εισόδους, την µεταβολή του ϕορτίου αναφοράς της µονάδας p R, και την µεταβολή του ηλεκτρικού ϕορτίου p L. Η έξοδος του µοντέλου είναι η µεταβολή στην συχνότητα f, δηλαδή η τελική διόρθωση που επιτυγχάνει ο έλεγχος του µοντέλου στη συχνότητα. Το τµήµα της µάζας στροβιλογεννήτριας - ηλεκτρικού ϕορτίου περιγράφει την δυναµική αυτού του τµήµατος και προσοµοιώνει την συµπεριφορά της στρεφόµενης µάζας κοινού άξονα στροβίλου - γεννήτριας, καθώς και του ηλεκτρικού ϕορτίου που εξυπηρετεί η µονάδα. Χαρακτηριστικό µέγεθος της στρεφόµενης µάζας είναι η σταθερά αδράνειας του κοινού άξονα, Η (inertia constant). Ορίζεται ως η ανηγµένη κινητική ενέργεια της στροβιλογεννήτριας, έχει διαστάσεις χρόνου 5, και είναι ίση µε το χρόνο που χρειά- Ϲεται για να επιταχυνθεί ο δροµέας στην σύγχρονη ταχύτητα, αν εφαρµοστεί στον άξονα µηχανική ισχύς, ίση µε την ονοµαστική ισχύ της µηχανής, S n. Το ηλεκτρικό ϕορτίο εισάγεται στο µοντέλο µε την ηλεκτρική ϱοπή πέδησης, το ϕορτίο δηλαδή που καλείται να εξυπηρετήσει ο στρόβιλος, και αντιτίθεται στην ϕορά περιστροφής του. Η αναλυτική µελέτη του ηλεκτρικού ϕορτίου δίνει δυο όρους, έναν που εκφράζει την µεταβολή της ηλεκτρικής ισχύος λόγω της µεταβολής στην µηχανική ϱοπή του στροβίλου, και έναν που εκφράζει την µεταβολή της ηλεκτρικής ισχύος λόγω µεταβολής στη συχνότητα του δικτύου, από οποιαδήποτε αιτία (Ϲεύξεις 5 Συνήθως, η τιµή της είναι 2-10 sec, µε τις µικρές τιµές να αντιστοιχούν σε µεγάλες µηχανές [3]. 24

25 και αποζεύξεις γραµµών, αυξοµειώσεις Ϲήτησης). Ο τελευταίος όρος δίνει ένα χαρακτηριστικό µέγεθος του ηλεκτρικού ϕορτίου, την ευαισθησία δ της ηλεκτρικής ισχύος (ϕορτίου) ως προς την συχνότητα, δηλαδή την ποσοστιαία µεταβολή του ϕορτίου για ποσοστιαία µεταβολή της συχνότητας δικτύου. p.u. MW Εχει διαστάσεις, και έχει σταθεροποιητικό ϱόλο στην λειτουργία του συστήp.u. Hz µατος, αφού εισάγεται στο µοντέλο µε αρνητική ανάδραση εξόδου. Στην πράξη, το δ µειώνει την µεταβολή ηλεκτρικού ϕορτίου που ϐλέπει η µονάδα, και αν η µεταβολή αυτή είναι µικρή, αντισταθµίζεται γρήγορα από την µηχανή, χωρίς να χρειάζεται αναγκαστική ϱύθµιση στην µηχανική ισχύ του στροβίλου. Το µοντέλο του στροβίλου δεν είναι ιδιαίτερα πολύπλοκο. Εχει ως είσοδο την µεταβολή της παροχής p V, και ως έξοδο την µηχανική ισχύ στον άξονά του. Ο στρόβιλος χαρακτηρίζεται από την χρονική σταθερά T T, που εκφράζει το πόσο γρήγορα ϑα εµφανιστεί µια µεταβολή της εισόδου (παροχή) στην έξοδο του µοντέλου (ισχύς στον άξονα). Τελευταίο αναλύεται το µοντέλο του ϱυθµιστή στροφών, το οποίο χρήζει αναλυτικής περιγραφής λόγω της ϐαρύτητάς του στην συµπεριφορά της µονάδας. Ο ϱόλος του είναι να διατηρεί σταθερή την συχνότητα της µονάδας 6, η οποία µεταβάλλεται συνεχώς ακολουθώντας τις συχνές διακυµάνσεις του ηλεκτρικού ϕορτίου. Η ϱύθµιση αυτή επιτυγχάνεται µε την συνεχή παρακολούθηση της συχνότητας στην έξοδο της γεννήτριας, και την αντίστοιχη ϱύθµιση της παροχής στην είσοδο του στροβίλου (Σχ. 2.4). Για παράδειγµα, τυχόν πτώση της συχνότητας στην έξοδο (df < 0), έχει ως αποτέλεσµα επιπλέον άνοιγµα της ϐαλβίδας παροχής για την αναγκαία αύξηση της συχνότητας, και αντίστροφα. Οταν αυτή σταθεροποιηθεί στην επιθυµητή τιµή της (συχνότητα αναφοράς f R ), ο ϱυθµιστής κρατά την ϐαλβίδα στην νέα ϑέση της. ύο είναι τα συνήθη µοντέλα ϱυθµιστών στροφών, οι ισόχρονοι ϱυθµιστές και οι ϱυθµιστές µε στατισµό [2]. Ισόχρονοι είναι οι ϱυθµιστές εκείνοι που διατηρούν συνεχώς την συχνότητα της µονάδας στην ονοµαστική τιµή της, διατηρούν δηλαδή, µηδενικό σφάλµα ϑέσης στη συχνότητα. Για να επιτευχθεί αυτό, ο ϱυθµιστής χρησι- µοποιεί αρνητική ανάδραση του σφάλµατος συχνότητας, ώστε το σύστηµα κλειστού ϐρόγχου να καταστεί τύπου-1. Η αδυναµία του ισόχρονου ϱυθµιστή είναι ότι δεν µπορεί να λειτουργήσει σε συνεργασία µε άλλες µονάδες παραγωγής. Αυτό συµβαίνει διότι κάθε ισόχρονη µονάδα προσπαθεί να σταθεροποιηθεί στην δική της συχνότητα (προϋποθέτοντας κοινή συχνότητα αναφοράς), οδηγώντας το δίκτυο σε ταλαντώσεις αποσυγχρονισµού. Για να επιτευχθεί συνεργασία µονάδων, επιτρέπεται ένα µόνιµο σφάλµα στη συχνότητα, αποδεκτό για µικρές µεταβολές στο ηλεκτρικό ϕορτίο. Χαρακτηριστικό µέγεθος του 6 Συγκεκριµένα, ο ϱυθµιστής στροφών προσπαθεί να µηδενίζει το σφάλµα συχνότητας, την διαφορά, δηλαδή, της συχνότητας στην έξοδο από την ονοµαστική συχνότητα. 25

26 Σχήµα 2.4 Επίδραση ϱυθµιστή στροφών στην έξοδο µονάδας. Στο διάγραµµα, ϕαίνεται η επίδραση του ϱυθµιστή στροφών στην έξοδο της µονάδας (MW), και η συµπεριφορά του σύµφωνα µε τη συχνότητα του δικτύου. Στον αριστερό άξονα είναι η ενεργός ισχύς της µονάδας και στον δεξιό είναι η στιγµιαία συχνότητα του δικτύου. Η διαταραχή του δικτύου [Α] εµφανίζεται στην ισχύ της µονάδας, και έχει ως αποτέλεσµα την απότοµη αύξηση της συχνότητας [Β]. Ο ϱυθµιστής στροφών ανταποκρίνεται, µειώνοντας την ισχύ της µονάδας [C] και την αυξάνει προοδευτικά [D], ώσπου η διαταραχή να εξαφανισθεί, και η συχνότητα επανέλθει στην ονοµαστική της τιµή. Με την εµφάνιση δεύτερης διαταραχής [E], ο ϱυθµιστής µειώνει ξανά την ισχύ της µονάδας [F], και την αυξάνει προοδευτικά. Στην συγκεκριµένη µονάδα, το µέγεθος των µεταβολών ισχύος ήταν τέτοιο (απότοµες αυξοµειώσεις περίπου 1500MW σε 30sec), ώστε τα περιφερειακά υδραυλικά συστήµατα δεν άντεξαν τις έντονες πιέσεις, και τέθηκαν εκτός λειτουργίας (trip) [G]. Ο ϱυθµιστής προοδευτικά µείωσε την ισχύ, ως το σηµείο αποσύνδεσης της µονάδας από το δίκτυο [Η]. Η απόκριση προέρχεται από µονάδα ισχύος 1100MW του αµερικανικού ηλεκτρικού δικτύου, ονοµαστικής συχνότητας 60Hz [13]. 26

27 Σχήµα 2.5 Πρωτογενής και δευτερογενής έλεγχος παραγωγής. ϱυθµιστή αυτού είναι ο στατισµός r (droop), που εκφράζει την ποσοστιαία µεταβολή της συχνότητας για ποσοστιαία µεταβολή του ηλεκτρικού ϕορτίου. Ο στατισµός έχει σταθεροποιητικό ϱόλο στη λειτουργία της µονάδας, αφού ελαχιστοποιεί (αλλά δεν µηδενίζει) την µεταβολή της συχνότητα για κάθε µεταβολή του ηλεκτρικού ϕορτίου, ενώ όσο µικρότερος είναι ο στατισµός, τόσο πιο ευαίσθητη είναι η µονάδα σε µετα- ϐολές ϕορτίου 7. Προφανώς, ισόχρονη µονάδα έχει µηδενικό στατισµό, ενώ µονάδα µε στατισµό δεν µπορεί να συµπεριφέρεται ισόχρονα. Τέλος, ο αυτόµατος έλεγχος παραγωγής διακρίνεται σε πρωτογενή και δευτερογενή [2] (Σχ. 2.5). Ο πρωτογενής έλεγχος ϐαρύνει αποκλειστικά τον ϱυθµιστή στροφών των στροβίλων, έχει αποκεντρωµένο χαρακτήρα (ο ϱυθµιστής επιδρά στην µονάδα τοπικά, σύµφωνα µε τις µετρούµενες µεταβλητές της µονάδας) και καθορίζεται από τον στατισµό των µονάδων, κρατώντας σταθερά τα ϕορτία ϐάσης τους. Ετσι, για κά- ϑε µεταβολή στο ϕορτίο του δικτύου παραµένει ένα µόνιµο σφάλµα στη συχνότητα. Για το λόγο αυτό, επιβάλλεται δευτερογενής έλεγχος από τα Κέντρα Κατανοµής Φορτίου (Κ.Κ.Φ. 8 ). Ο έλεγχος αυτός επεµβαίνει στα ϕορτία ϐάσης των µονάδων, και τα µεταβάλλει ανάλογα, ώστε να σταθεροποιηθεί η συχνότητα στην ονοµαστική της τιµή. 2.2 Το σύστηµα της General Electric Στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ., ο έλεγχος του αεριοστροβίλου υλοποιείται στο σύστηµα Speedtronic MkVI, της General Electric. Αυτό συµβαίνει ϱυθµίζοντας την παροχή 7 Η παραπάνω ανάλυση καθιστά αναγκαία την αποσαφήνιση των εννοιών ευαισθησίας και στατισµού µιας µονάδας. Η µαθηµατική έκφραση της ευαισθησίας δ, είναι δ = dpe (MW) (Hz) ενώ του df (Hz) (MW). Η ευαισθησία δ δείχνει πόσο ϑα επηρεαστεί η ηλεκτρική ισχύς στατισµού είναι r = df dp v (ϕορτίο) στην έξοδο της µονάδας, αν µεταβληθεί η συχνότητα του δικτύου (µεταβολή Ϲήτησης, µεταβατικά ϕαινόµενα). Ο στατισµός r δείχνει πόσο ϑα µεταβάλλει την συχνότητα του δικτύου µια µεταβολή στην ισχύ της µονάδας (ϱύθµιση στροφών). 8 Load Dispatch Centres. 27

28 καυσίµου (αερίου ή πετρελαίου) στον στρόβιλο, σύµφωνα µε τις εντολές των ελέγχων ϕορτίου, ταχύτητας, ϑερµοκρασίας. Αναλυτικότερα, το Speedtronic εκτελεί τις εξής λειτουργίες [7]: - έλεγχος ταχύτητας κατά την εκκίνηση, - αυτόµατος συγχρονισµός γεννήτριας στο δίκτυο, - έλεγχος ϕορτίου κατά την λειτουργία στο δίκτυο, - προστασία στροβίλου. Λόγω της σηµασίας της, η προστασία του στροβίλου αναλύεται ξεχωριστά στο Κεφάλαιο 5. Το κύριο χαρακτηριστικό της σχεδίασης του Speedtronic είναι η αρχιτεκτονική T.M.R. 9, που εισάγει και εξάγει τα δεδοµένα στο σύστηµα µέσω 3 ανεξάρτητων δρόµων, και εκτελεί τους αλγορίθµους ελέγχου σε 3 επεξεργαστές συµψηφίζοντας τα αποτελέσµατα. Η ϐάση αυτής της αρχιτεκτονικής είναι οι παράλληλες µονάδες ελέγχου <R>,<S>,<T>. Ακόµη, ορισµένες σηµαντικές λειτουργίες όπως η προστασία υπερτάχυνσης και ο συγχρονισµός εκτελούνται στην µονάδα προστασίας <P>, επίσης διάταξης TMR. Η διασύνδεση εισόδου-εξόδου γίνεται µε τερµατικές µονάδες I/O, που συνδέουν απ ευθείας το Speedtronic µε τους αισθητήρες και τους διακόπτες, ώστε οι εντολές να εκτελούνται χωρίς καθυστέρηση. Ετσι, η παρακολούθηση της κατάστασής τους είναι µια απλοποιηµένη διαδικασία και επιτρέπει στο Speedtronic την έγκαιρη επέµβαση στο στρόβιλο και την ταχύτατη εξαγωγή ενδείξεων στο DCS Υλικό Η κάθε µονάδα ελέγχου (<R>,<S>,<T>) αποτελείται από τον κύριο επεξεργαστή UCVX και την µονάδα επικοινωνίας VCMI. Σε κάθε µια από τις <R>,<S>,<T> ενσωµατώνεται ένας αριθµός άλλων µονάδων, επιφορτισµένων µε τις εφαρµογές του στροβίλου. Αυτές είναι οι εξής: - VSVO, ελέγχει τις 5 ηλεκτρουδραυλικές ϐαλβίδες παροχής καυσίµου (4 αερίου, 1 πετρελαίου) µέσω των σερβοµηχανισµών τους, και παρακολουθεί την ϑέση τους µέσω γραµµικών µεταβλητών διαφορικών µετασχηµατιστών (LVDT s 10, 2 9 TMR: Triple Modular Redundancy. Η αρχιτεκτονική αυτή παρουσιάζεται αναλυτικότερα στο Πα- ϱάρτηµα LVDT: Linear Variable Differential Transformer. Προκειµένου να προσδιορίσει τη ϑέση ενός µέσου µε ακρίβεια, κινεί έναν πυρήνα µέσα σε διεγειρόµενο πηνίο. Η κίνηση µεταβάλλει την τάση του πηνίου, που είναι ανάλογη µε την µετατόπιση του πυρήνα. 28

29 ανά ϐαλβίδα), ϱυθµίζει την διέγερσή τους και εκτελεί τον διαγνωστικό τους έλεγχο. Με τον ίδιο τρόπο, ελέγχει τον σερβοµηχανισµό της ϐαλβίδας εισαγωγής αέρα IGV, στην είσοδο του συµπιεστή. - VTUR, εισάγει τις µετρήσεις γωνιακής ταχύτητας από τους µαγνητικούς αισθητήρες στον άξονα του στροβίλου (Σχ. 5.1), και µεταφέρει από τον επεξεργαστή το σήµα Κύριας ιακοπής λόγω υπερτάχυνσης (overspeed) στο σύστηµα προστασίας Trip Oil. Η δεύτερη λειτουργία του είναι η εκτέλεση του αλγορίθµου αυτόµατου συγχρονισµού, µετρώντας την τάση στην γεννήτρια και στο δίκτυο, σε συνεργασία µε το σύστηµα διέγερσης EX2100, τη µονάδα προστασίας <P> και το σύστηµα ελέγχου του διακόπτη γεννήτριας 52G. Ακόµη, παρακολου- ϑεί τους αισθητήρες ϕλόγας στους ϑαλάµους καύσης (Σχ. 5.5) δίνοντας τις πληροφορίες στον επεξεργαστή. Τέλος, εκτελεί την λειτουργία ανίχνευσης ανεπιθύµητης τάσης στον άξονα του στροβίλου, µέσω της κατάστασης των εδράνων του. - VAIC, διαθέτει κυκλώµατα A/D, D/A για τον έλεγχο 20 αναλογικών εισόδων 4-20mA, ±10V, ±5V και 4 αναλογικών εξόδων 0-200mA, 0-20mA. Η µονάδα περιλαµβάνει κυκλώµατα λογικής, περιορισµού ϑορύβου και πολυπλέκτες για τα αναλογικά µεγέθη που ελέγχει (πιέσεις, ϱοές, κ.α.). - VCCC, δέχεται 48 διακριτές εισόδους από τον στρόβιλο, και ελέγχει 24 περι- ϕερειακούς ηλεκτρονόµους του. - VVIB, εισάγει µετρήσεις από τους αισθητήρες δονήσεων στα διάφορα σηµεία του στροβίλου, σε συνεργασία µε το σύστηµα καταγραφής Bently-Nevada. Τα δεδοµένα στέλνονται παράλληλα στον επεξεργαστή για λήψη αποφάσεων, και στο Bently-Nevada για καταγραφή και στατιστική επεξεργασία. - VTCC, αναλαµβάνει την παρακολούθηση των 31 ϑερµοζευγών τύπου Κ στην έξοδο καυσαερίων (Σχ. 5.4) µέσω των κυκλωµάτων A/D, εκτελεί την γραµµικοποίηση της χαρακτηριστικής τους και εξάγει τα αποτελέσµατα ϑερµοκρασίας στον επεξεργαστή. - VRTD, αναλαµβάνει την παρακολούθηση των 16 RTD s 11 που παρακολουθούν την ϑερµοκρασία στα διάφορα σηµεία της γεννήτριας µέσω κυκλωµάτων A/D, εκτελεί περιορισµό του ϑορύβου που εισάγουν, και δίνει τις µετρήσεις στον επεξεργαστή. - VGEN, εισάγει τις µετρήσεις τάσης και ϱεύµατος, µέσω 2 τριφασικών µετασχη- µατιστών τάσης (γεννήτρια και δίκτυο) και 3 µονοφασικών µετασχηµατιστών 11 RTD: Resistance Temperature Devices. 29

30 Σχήµα 2.6 Η διάταξη του Speedtronic MkVI. Αριστερά, οι µονάδες του Speedtronic, σε διάταξη TMR. Επάνω, είναι η µονάδα προστασίας <P>, και κάτω της οι τρεις µονάδες <R>, <S>, <T>. εξιά, λεπτοµέρεια της µονάδας <R>, όπου διακρίνονται κάθετα τοποθετηµένες στη σειρά, η µονάδα επικοινωνίας VCMI, ο επεξεργαστής UCVX, και οι υπόλοιπες µονάδες ελέγχου. ϱεύµατος. Εκτελεί τους υπολογισµούς ισχύος (MW, MVar, MVA, pf) και συχνότητας, επιστρέφοντας τις τιµές στον επεξεργαστή. - VPRO, το σύστηµα επείγουσας προστασίας του στροβίλου. ιαθέτει τον έλεγχο συγχρονισµού, δίνοντας την απαιτούµενη έγκριση ασφάλειας στην µονάδα VTUR, και εκτελεί την Επείγουσα Προστασία υπερτάχυνσης, µέσω των µετρήσεων γωνιακής ταχύτητας από 3 αισθητήρες. Κάθε τέτοια µονάδα µεταφέρει τις εντολές στον στρόβιλο µέσω των τερµατικών µονάδων που έχει στον έλεγχό της. Αυτές είναι κατασκευασµένες, έτσι ώστε να µην χρειάζονται ενδιάµεσα συστήµατα διασύνδεσης, µεταξύ του συστήµατος και των συσκευών του στροβίλου. Τα παραπάνω απεικονίζονται στα Σχ. 2.6, 2.7 όπου δίνεται η διάταξη της αρχιτεκτονικής TMR, των επιµέρους µονάδων και του συνολικού συστή- µατος. 30

31 31 Σχήµα 2.7 ιάταξη του Speedtronic και των υποσυστηµάτων του σε αρχιτεκτονική TMR.

32 Σχήµα 2.8 Η κεντρική οθόνη της εφαρµογής Cimplicity. Η διασύνδεση των συστηµάτων µεταξύ τους και µε το DCS είναι µια σύνθετη διαδικασία, λόγω της διαφορετικής ϕύσης τους και των ιδιαιτεροτήτων τους (Σχ. 1.4). Το πρώτο επίπεδο είναι η επικοινωνία µε το DCS (το κεντρικό σύστηµα ελέγχου του σταθµού) και γίνεται µέσω του επεξεργαστή UCVX ή ενός HMI, µε σειριακό τρόπο (πρωτόκολλα ProfiBus, ModBus). Ο επεξεργαστής αναλαµβάνει και την σύνδεση του Speedtronic στο δίκτυο UDH, ένα δεύτερο επίπεδο διασύνδεσης µόνο για τα συστήµατα της General Electric. Το δίκτυο UDH χρησιµοποιείται για την ανταλλαγή πληροφοριών µεταξύ των Speedtronic, LCI και EX, καθώς και για τον κύριο χειρισµό τους από τις κονσόλες HMI. Είναι µια εφαρµογή Ethernet µε το πρωτόκολλο µηνυµάτων Ethernet Global Data, και συνδέεται στους 3 επεξεργαστές TMR µέσω καλωδίου UTP ή οπτικής ίνας. Ενα τρίτο επίπεδο διασύνδεσης είναι το δίκτυο IONet της General Electric, το οποίο χρησιµοποιείται για την επικοινωνία των συσκευών TMR, µέσω των µονάδων VCMI. Χρησιµοποιεί κοινό Ethernet µε πακέτα δεδοµένων στη γλώσσα Asynchronous Device Language. Χρησιµοποιεί polling των συσκευών, µε έλεγχο από την µονάδα VCMI σε ταχύτητα 8MHz. Περαιτέρω συνδέσεις στις τερµατικές µονάδες και στις συσκευές ελέγχου γίνονται µε εξειδικευµένα µέσα της General Electric, ανάλογα µε την εφαρµογή. Οι µονάδες UCVX που αποτελούν τους επεξεργαστές του Speedtronic, είναι συστήµατα Pentium III 850 MHz µε 16Mb flash µνήµης και 32Mb DRAM µνήµης. Οι εφαρµογές που εκτελούν ϐασίζονται στο λειτουργικό σύστηµα QNX, µια υλοποίηση 32

33 Πραγµατικού Χρόνου του UNIX. Οι υπόλοιπες µονάδες χρησιµοποιούν τον επεξεργαστή DSP TMS320C32, ειδικά για ψηφιακή επεξεργασία δεδοµένων στη µορφή IEEE 32bit floating point, σε πλαίσιο χρόνου 1 ή 5msec. Τέλος, οι κονσόλες HMI είναι µονάδες PC µε λειτουργικό MS Windows NT και εκτελούν την εφαρµογή Cimplicity της General Electric (Σχ. 2.8) για την διαχείριση στροβίλου και γεννήτριας σε Πραγµατικό Χρόνο Το σύστηµα καυσίµου Οι αεριοστρόβιλοι της General Electric έχουν την δυνατότητα λειτουργίας µε 2 είδη καυσίµου, είτε µε ϕυσικό αέριο είτε µε πετρέλαιο. Η επιλογή καυσίµου γίνεται πριν την ανάφλεξη ή σε ταχύτητα µεγαλύτερη της FSNL 12, αρκεί το καύσιµο να έχει τα απαιτούµενα χαρακτηριστικά 13. Η µικτή καύση των δυο µέσων δεν επιτρέπεται σε καµία περίπτωση. Στην ανάλυση που ακολουθεί δεν µελετάται η περίπτωση καύσης πετρελαίου, λόγω του ότι ο σταθµός ΕΝ.ΘΕΣ. είναι κύρια σχεδιασµένος για καύση ϕυσικού αερίου [8]. Το Speedtronic εκτελεί µια σειρά ελέγχων προκειµένου να καθορίσει την ποσότητα καυσίµου που ϑα εισάγει προς καύση. Για τους ελέγχους αυτούς χρησιµοποιεί έναν µεγάλο αριθµό µεταβλητών και µετρούµενων µεγεθών της µονάδας. Κάθε έ- λεγχος εκτελείται στον επεξεργαστή ανεξάρτητα από τους υπόλοιπους, και σε κάθε κύκλο δίνει ως αποτέλεσµα µια τιµή καυσίµου - την τιµή FSR 14. Οι τελικές τιµές FSR των ελέγχων συγκρίνονται και για λόγους ασφαλείας επιλέγεται η µικρότερη, που οδηγεί τις ϐαλβίδες καυσίµου (Σχ. 2.9). Επιπρόσθετα, εκτελείται δευτερεύων έλεγχος που παρακολουθεί το ϱυθµό µεταβολής της τιµής FSR στο χρόνο, και ασκεί περιορισµούς στις αυξοµειώσεις του. Γενικά, η τιµή της FSR κυµαίνεται γύρω στο 12 FSNL: Full Speed-No Load. Η κατάσταση κατά την οποία ο στρόβιλος ϐρίσκεται σε ονοµαστική ταχύτητα (3000rpm), αλλά δεν έχει γίνει συγχρονισµός (δεν εξυπηρετεί ηλεκτρικό ϕορτίο). Μετά την εκκίνηση, έρχεται στην κατάσταση αυτή για µικρό χρόνο, ώστε να ελεγχθούν οι συνθήκες συγχρονισµού και έπειτα να συνδεθεί στο δίκτυο. 13 Για το ϕυσικό αέριο, η GE ϑέτει ως απαίτηση πίεση psig και ϑερµοκρασία 50 o -365 o F. 14 FSR: Fuel Stroke Reference. Η παροχή αερίου στην καύση, ως ποσοστό % της µέγιστης δυνατής παροχής. 33

34 Σχήµα 2.9 Η επιλογή της τιµής FSR. 30% σε συνθήκες λειτουργίας ISO 15. Ακόµη, υπάρχει η ελάχιστη τιµή FSR, που εξασφαλίζει διατήρηση της ϕλόγας στους ϑαλάµους και οµαλή καύση. Η χαρακτηριστική της σχηµατίζεται από την γραµµική παρεµβολή των ελάχιστων τιµών FSR που δίνουν οι παράλληλοι έλεγχοι του Speedtronic. Η διαδροµή του καυσίµου (Σχ. 2.10), από την παροχή µέχρι τον ϑάλαµο καύσης, περνά από 2 σηµεία ελέγχου, την ϐαλβίδα SRV και την ϐαλβίδα GCV, συνδεδεµένες στη σειρά. Ως προς την λειτουργία τους είναι όµοιες, καθώς κινούν υδραυλικό έµβολο µε ελατήριο επαναφοράς. Η ϑέση του κάθε εµβόλου παρακολουθείται από 2 συσκευές LVDT, που δίνουν την ανάδραση για τον έλεγχο ϑέσης. Ακόµη, οι ϐαλβίδες κρατούνται σε ϑέση λειτουργίας υπό υδραυλική πίεση που παρέχει το σύστηµα προστασίας Trip Oil System (αναλυτικά στο Κεφ.5). Σε περίπτωση σφάλµατος, διακόπτεται η πίεση και κλείνουν ακαριαία µέσω των ελατηρίων επαναφοράς. Η ϐαλβίδα SRV 16 είναι η πρώτη στη διαδροµή του αερίου και ϱυθµίζει την πίεσή του (P 2 ) πριν εισέλθει στην ϐαλβίδα GCV. Με τον τρόπο αυτό, η ϱοή αερίου µετά την GCV εξαρτάται µόνο από τη ϑέση του εµβόλου της. Το µέγεθος που ελέγχει η SRV είναι η πίεση P 2, ως συνάρτηση της ταχύτητας του στροβίλου: P 2 = 4.44 (speed %) Για τον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ., οι συνθήκες ISO είναι οι εξής: - ϑερµοκρασία περιβάλλοντος 15 o C, - πίεση περιβάλλοντος 1.005mbar, - σχετική υγρασία 65%, - υψόµετρο 70m, - πίεση αερίου (παροχή ΕΠΑ) 33bar(g), - ϑερµοκρασία ϑαλάσσιου νερού 15 o C. 16 SRV: Stop/Ratio Valve. 34

35 Σχήµα 2.10 Το σύστηµα καυσίµου της General Electric. 35

36 Ο έλεγχος της P 2 είναι κλειστός PI ϐρόγχος ανάδρασης µε µέτρηση της πίεσης από την µονάδα VAIC, και σε εσωτερικό ϐρόγχο γίνεται ο έλεγχος ϑέσης της ϐαλβίδας, από την µονάδα VSVO. Η µεταβολή της είναι 0.04in για κάθε 1% του σήµατος ελέγχου. Πριν την ανάφλεξη, ελέγχεται η κλειστή ϑέση της ϐαλβίδας µε εφαρµογή αρνητικής πίεσης P 2 και παρακολούθηση του ϱεύµατος κορεσµού των LVDT s, ώστε να ϐεβαιωθεί η καλή κατάσταση λειτουργίας. Ο δεύτερος ϱόλος της ϐαλβίδας SRV είναι ότι συµµετέχει στο σύστηµα προστασίας του στροβίλου (αναλυτικά στο Κεφ.5). Αν ανιχνευθεί µια αντικανονική κατάσταση λειτουργίας, το σύστηµα επεµβαίνει στην SRV µε σήµα αρνητικής πίεσης (P 2 =- 40psig) και διακόπτει την παροχή καυσίµου. Η ϐαλβίδα GCV 17 είναι αυτή που ϱυθµίζει την ποσότητα αερίου που εισάγεται στον στρόβιλο, σύµφωνα µε την τιµή FSR που δίνει το Speedtronic. Η ϑέση του εµβόλου είναι ανάλογη της τιµής FSR, µε χαρακτηριστική της µορφής: (position) = a FSR Οπως και η SRV, έτσι και η GCV εκτελεί διαγνωστικό έλεγχο ϑέσης, πριν την ανά- ϕλεξη. Η µεταβολή της είναι 0.015in για κάθε 1% του σήµατος ελέγχου. Το σύστηµα καυσίµου ολοκληρώνεται µε την προσθήκη συστήµατος εκκένωσης της διαδροµής αερίου (Gas purge system), για τις περιπτώσεις αποτυχηµένης ανά- ϕλεξης. Το καύσιµο που παραµένει, δηµιουργεί εκρηκτικά µίγµατα που συσσω- ϱεύονται στο στρόβιλο και στον λέβητα. Η εκκένωσή τους γίνεται µε τον αέρα που έρχεται από τον συµπιεστή, και διοχετεύεται στους ϑαλάµους καύσης, για συγκεκρι- µένο χρονικό διάστηµα. Η περιστροφή του άξονα στην διαδικασία αυτή γίνεται µε το σύστηµα LCI (ανάλυση στο Κεφ.3) Λειτουργίες ελέγχου Ο προσδιορισµός της τιµής FSR γίνεται σύµφωνα µε τις παραµέτρους ϕορτίου και περιβάλλοντος. Βάσει αυτών, εκτελούνται παράλληλα στον επεξεργαστή οι παρακάτω έλεγχοι. Ελεγχος ϕορτίου Ο έλεγχος ϕορτίου χρησιµοποιείται για να ϱυθµίσει την τιµή αναφοράς της ταχύτητας σύµφωνα µε το σφάλµα ϑέσης του ϕορτίου, ώστε η τιµή αυτή να εισαχθεί στους υπόλοιπους ελέγχους. Άλλωστε, αυτός είναι και ο κύριος ϱόλος ενός ϱυθµιστή στροφών σε κάθε µονάδα ηλεκτροπαραγωγής, ανεξάρτητα από ϕύση του στροβίλου. 17 GCV: Gas Control Valve. Λόγω της ιδιαιτερότητας του συστήµατος καύσης DLN της General Electric, χρησιµοποιούνται 3 ϐαλβίδες GCV, µε παρόµοιο τρόπο λειτουργίας. Ωστόσο, για λόγους απλότητας οι αναφορές γίνονται µόνο σε µια ϐαλβίδα. 36

37 Ο έλεγχος αυτός είναι κλειστός ϐρόγχος για την ϱύθµιση των MW στην έξοδο της γεννήτριας, µεταβάλλοντας την ταχύτητα του στροβίλου. Το σύστηµα της General Electric χρησιµοποιεί δυο τιµές ϕορτίου στις οποίες µεταβαίνει ο στρόβιλος, την Προεπιλεγµένη Τιµή 18 και την Ονοµαστική Τιµή. Στην Προεπιλεγµένη Τιµή, µεταβαίνει όταν απαιτείται γρήγορη ανάληψη ϕορτίου ή εξυπηρέτηση συγκεκριµένης τιµής του. Στην Ονοµαστική Τιµή µεταβαίνει στην εξυπηρέτηση ϕορτίου ϐάσης 19 ή µέγιστου ϕορτίου. Ο συγκεκριµένος έλεγχος καθορίζει την ϕόρτιση της µονάδας κατά την εκκίνηση, τον συγχρονισµό και την ανάληψη ϕορτίου, µε έµφαση στην λειτουργία του συνδυασµένου κύκλου. Συγκεκριµένα, µετά την εκκίνηση ϱυθµίζει την ταχύτητα του στροβίλου στο 100.3% της µέγιστης, προκειµένου να σταθεροποιηθεί στην κατάσταση FSNL και να συγχρονισθεί. Απαιτείται ελαφρώς µεγαλύτερη ταχύτητα από την σύγχρονη (100%), προκειµένου να αντισταθµιστεί η αρχική ηλεκτρική ϱοπή πέδησης που εφαρµόζει το δίκτυο στη γεννήτρια, και να κρατηθεί η µονάδα συγχρονισµένη. Μετά από επιτυχή συγχρονισµό, η τιµή αναφοράς ϕορτίου ϱυθµίζεται στην τιµή Στρεφόµενης Εφεδρείας 20, που είναι τα 20MW, η ελάχιστη ισχύς που δίνει το σύνολο της General Electric σε σύνδεση στο δίκτυο (Σχ. 2.11). Η ισχύς κρατείται σταθερή στα 20MW µέχρι να έρθει σε ετοιµότητα ο λέβητας, και τότε ο έλεγχος ϕορτίου εκτελεί τον αλγόριθµο Ταύτισης Θερµοκρασίας 21 (Σχ. 2.16), προκειµένου η ϑερµοκρασία των καυσαερίων να ταυτιστεί µε την ϑερµοκρασία ατµού που απαιτεί ο ατµοστρόβιλος, και σύντοµα η µονάδα να έρθει σε λειτουργία συνδυασµένου κύκλου. Οι εντολές έναρξης/λήξης της διαδικασίας δίνονται από το DCS προς το Speedtronic, όπως και η τιµή αναφοράς της ϑερµοκρασίας. Κατά τη διάρκεια της Ταύτισης Θερµοκρασίας, η ισχύς του αεριοστροβίλου είναι απροσδιόριστη, και κινείται µεταξύ 20 και 80MW. Η ϕόρτισή του γίνεται µε ϱυθµό που υπαγορεύει µόνο η ϑερµική καταπόνηση του ατµοστροβίλου, και ο έλεγχος ϕορτίου δεν µπορεί να επέµβει παρά µόνο όταν το DCS δώσει το σήµα τέλους της διαδικασίας [8]. 18 Pre-selected Load. Η τιµή αυτή ϱυθµίζεται κατά την εκκίνηση της µονάδας, και µπορεί να αλλάξει κατά την λειτουργία της. 19 Ονοµαστική τιµή, Base Load. Ο ορισµός που δίνει η General Electric διαφέρει από την καθιε- ϱωµένη ϑεωρία [2, 4] - εδώ ο όρος αναφέρεται στην µέγιστη τιµή ϕόρτισης που καθορίζεται από την ϑερµική αντοχή του στροβίλου, και είναι η µέγιστη ισχύς που παράγει η µονάδα σε ονοµαστικές συν- ϑήκες λειτουργίας. Ο έλεγχος του Speedtronic για παραγωγή baseload είναι αποκλειστικά έλεγχος ϑερµοκρασίας. Βέβαια, η εξυπηρέτηση µεγαλύτερου ϕορτίου ή η λειτουργία σε εντονότερες συνθήκες αναγκάζει την µονάδα να εφαρµόσει το overfiring, µια µέθοδο της General Electric που αυξάνει την απόδοση του στροβίλου σε ϐάρος του χρόνου Ϲωής του. 20 Στρεφόµενη Εφεδρεία, Spinning Reserve. Ο ορισµός που δίνει η General Electric διαφέρει από τον ορισµό του ϕορτίου ϐάσης της καθιερωµένης ϑεωρίας [2, 3, 4] - εδώ ο όρος προσδιορίζει την προκαθορισµένη τιµή ϕόρτισης που αναλαµβάνει η µονάδα την στιγµή που συνδέεται στο δίκτυο. Η τιµή αυτή ορίζεται ελαφρώς µεγαλύτερη από την µηδενική ϕόρτιση, περίπου στο 8% της ονοµαστικής. 21 Temperature Matching Mode. 37

38 Σχήµα 2.11 Αποκρίσεις µεγεθών του αεριοστροβίλου κατά το συγχρονισµό του σταθµού ΕΝ.ΘΕΣ.. 38 Το διάγραµµα είναι από έναν συγχρονισµό του αεριοστροβίλου. Με µπλε χρώµα η ταχύτητα του στροβίλου (%), µε γαλάζιο χρώµα η τιµή FSR (%), και µε κόκκινο η παραγόµενη ηλεκτρική ισχύς (MW). Η στιγµή που κλείνει ο διακόπτης 52G δίνεται µε την πορτοκαλί γραµµή. ιακρίνεται το ότι η τιµή της ταχύτητας µόλις πριν το συγχρονισµό είναι ελαφρώς ανώτερη από την ονοµαστική (100.3%), καθώς και η έντονη κυµάτωση της τιµής FSR κατά την ανάληψη ϕορτίου, η σταθεροποίησή της, και η αντίστοιχη µεταβολή στην ταχύτητα του στροβίλου. Με τους οριζόντιους δείκτες δίνονται οι τιµές των µεγεθών σε τρεις χρονικές στιγµές.

39 Σχήµα 2.12 Ρύθµιση της τιµής FSR κατά την εκκίνηση. Οι τιµές [ΓΠ] στις δυο κλίσεις επιτάχυνσης υπολογίζονται από γραµµική παρεµβολή προκαθορισµένων τιµών FSR (ϐλ. Πιν. 1, Παράρτηµα 2). Αµέσως µετά τον συγχρονισµό, η ϕόρτιση µπορεί να είναι είτε αυτόµατη, είτε χειροκίνητη. Αν έχει επιλεχθεί η αυτόµατη, µπορεί να δοθεί η Προεπιλεγµένη Τιµή από τον χειριστή, ή η τιµή ϐάσης που καθορίζεται από τον έλεγχο ϑερµοκρασίας. Στην χειροκίνητη, ο χειριστής ϱυθµίζει την τιµή µεταξύ της τιµής ελάχιστης ϕόρτισης και του ορίου ϑερµοκρασίας. Και στις δυο περιπτώσεις, ο µέγιστος ϱυθµός µεταβολής του ϕορτίου είναι %/sec. Τελικά, ο έλεγχος αυξάνει την ϕόρτιση ως το 60% της ονοµαστικής (170MW), πέρα από την οποία αυξάνεται µόνο από τον χειριστή. Ελεγχος εκκίνησης-παύσης Ο συγκεκριµένος έλεγχος είναι ένας ανοικτός ϐρόγχος ελέγχου της τιµής FSR, µε στόχο την µείωση της ϑερµικής καταπόνησης του στροβίλου, κατά την εκκίνηση και την παύση. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται η διάρκεια Ϲωής του, ενώ διατηρείται υψηλή η απόδοσή του (Σχ. 2.12). Η ακολουθία εκκίνησης αποτελείται από τον κύκλο εκκένωσης της διαδροµής αερίου (purging), τον κύκλο ανάφλεξης (firing) και τον κύκλο προθέρµανσης (warmup). Κάθε ένας έχει συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα στο οποίο πρέπει να ολοκλη- ϱωθεί, ενώ ειδικά για τον κύκλο ανάφλεξης, αν δεν ανιχνευθεί ϕλόγα σε ορισµένο χρόνο, ακολουθείται νέος κύκλος εκκένωσης και ανάφλεξης. Η επιτυχής ολοκλήρωσή του οδηγεί στον κύκλο προθέρµανσης του στροβίλου, µε ελαφρή µείωση της τιµής FSR. Κατά την παύση, ο έλεγχος αποκλιµακώνει την τιµή FSR µε γρηγορότερο ϱυθµό απ οτι στην εκκίνηση (Σχ. 2.14). Ο στόχος είναι η σταδιακή µείωση της τιµής FSR, από τη στιγµή που ϑα αποσυνδεθεί η µονάδα µέχρι και την ολική απώλεια ϕλόγας στους ϑαλάµους καύσης. Για τον συνδυασµένο κύκλο της µονάδας ΕΝ.ΘΕΣ., η διαδικασία απαιτεί διαδοχικά την αποφόρτιση του αεριοστροβίλου στο 40%, την 39

40 Σχήµα 2.13 Απεικόνιση του στατισµού στη σχέση ισχύος-ταχ. αναφοράς. πλήρη αποφόρτιση του ατµοστροβίλου, την πλήρη αποφόρτιση του αεριοστροβίλου, και τελικό µηδενισµό της τιµής FSR. Ελεγχος ταχύτητας Ο έλεγχος ταχύτητας ϱυθµίζει την ταχύτητα του στροβίλου σε σχέση µε την ταχύτητα αναφοράς που καλείται να ϕτάσει. Οπως αναλύθηκε παραπάνω, µπορεί να είναι είτε ισόχρονος, είτε µε στατισµό (droop). Στη συγκεκριµένη εφαρµογή, ο έλεγχος ταχύτητας συνεργάζεται µε τον έλεγχο ϕορτίου, την ακολουθία συγχρονισµού και τον έλεγχο εκκίνησης-παύσης. Η General Electric ϱυθµίζει τον στατισµό στις µονάδες της µεταξύ 4% και 6% 22, µια ϱύθµιση που γίνεται πάντα εκτός σύνδεσης. Στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ έχει ϱυθµιστεί στο 4%, και αντιστοιχεί αποκλειστικά στον αεριοστρόβιλο, αφού ο ατµοστρόβιλος λειτουργεί χωρίς στατισµό. Για την µέτρηση της ταχύτητας του στροβίλου, χρησιµοποιούνται 3 µαγνητικοί αισθητήρες (Σχ. 5.1), οι οποίοι διασυνδέονται στις µονάδες VTUR σε διάταξη TMR. Η τελική τιµή της ταχύτητας (TNH, σε µονάδες rpm και %) προκύπτει από τον συµψηφισµό των 3 τιµών. Ο ίδιος έλεγχος παρακολουθεί την µεταβολή της ταχύτητας και την κρατά εντός των προκαθορισµένων ορίων. Ετσι, κατά την εκκίνηση διατηρεί την τιµή TNH µεταξύ 0-100%, και µετά τον συγχρονισµό (σε λειτουργία µε στατισµό) µεταξύ 0-104% (Σχ. 2.13). Επιπρόσθετα, η General Electric ενσωµατώνει το σύστηµα Constant settable droop προκειµένου να διατηρεί τον στατισµό σταθερό κατά τη λειτουργία, ανεξάρ- 22 Αυτό σηµαίνει ότι για µονάδα µε στατισµό 4%, µια µεταβολή στη συχνότητα του δικτύου κατά 1% ϑα µεταβάλλει την ισχύ του στροβίλου κατά 25%. 40

41 τητα από τις µεταβολές στην ϑερµοκρασία του αερίου 23. Το σύστηµα αυτό διαµορ- ϕώνει τον στατισµό σύµφωνα µε την ισχύ εξόδου του στροβίλου, εισάγοντας αυτήν ως ανάδραση στον έλεγχο του στατισµού. Ετσι, η χαρακτηριστική του (Σχ. 2.13) δια- µορφώνεται σύµφωνα µε την µέτρηση ισχύος και όχι από την τιµή FSR, που µπορεί να µεταβάλλεται σύµφωνα µε τα χαρακτηριστικά του αερίου. Χωρίς την µέτρηση ισχύος, δεν ϑα µπορούσε να επιτευχθεί σταθερή τιµή στον στατισµό της µονάδας, ενώ η ϱύθµιση ισχύος δεν ϑα ήταν ακριβής. Ο έλεγχος ταχύτητας µπορεί να αλλάξει σε ισόχρονο, παρακολουθώντας την κατάσταση του διακόπτη γραµµής (υποσταθµός 400kV). Αν αυτός ανοίξει χωρίς ταυτόχρονο σήµα διακοπής λειτουργίας, ϑεωρείται ότι η µονάδα αποσυνδέθηκε από το δίκτυο. Στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ., η µονάδα της General Electric µπορεί να αλλάξει σε ισόχρονο έλεγχο, µόνο κατά την λειτουργία στο δίκτυο - δεν µπορεί να εκκινήσει ισόχρονα (black start) λόγω της µεγάλης ισχύος που απαιτείται (ανάλυση στο Κεφ.3). Το DCS παρέχει στο Speedtronic το σήµα κατάστασης του διακόπτη 400kV, και η GE ϑέτει ως ανώτερο όριο αρχικής ϕόρτισης σε ισόχρονο έλεγχο, το 10% της ονοµαστικής. Για την παράλληλη λειτουργία ισόχρονων µονάδων, η General Electric εφαρµόζει τον αλγόριθµο ILS 24, προκειµένου να επιτύχει συνεργασία των µονάδων στην εξυπηρέτηση ϕορτίου. Ο έλεγχος ταχύτητας δεν αλλάζει, παρά µόνο εισάγεται το σήµα DWS, που είναι η διαφορά µεταξύ του ϕορτίου µιας µονάδας και της µέσης τιµής ϕορτίου όλων των µονάδων. Ετσι, το ϕορτίο µοιράζεται εξίσου, χωρίς να απαιτείται µονάδα µε στατισµό για τις µεταβολές του. Σε ότι αφορά τις διακυµάνσεις συχνότητας, το ονοµαστικό ϕορτίο επιτυγχάνεται απροβληµάτιστα στην περιοχή των Hz, ενώ το όριο απαγορευµένης λειτουργίας είναι τα 52.5Hz. Ακόµη, η ανενεργός Ϲώνη (dead band) του Speedtronic στον έλεγχο συχνότητας είναι ίση µε 0.06% ή 30mHz. Αυτό σηµαίνει πως για διαταραχές τέτοιου εύρους το Speedtronic δεν επεµβαίνει µε διόρθωση, παρά µόνο αν το πλάτος της διαταραχής ξεπεράσει την ανενεργό Ϲώνη. Ωστόσο, κατόπιν ειδικής παραγγελίας για λόγους συµ- ϐατότητας µε τον Κώδικα ιαχείρισης του Συστήµατος [10] (ανάλυση στην ενότητα 2.3.1), στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ η ανενεργός Ϲώνη ϱυθµίστηκε στα 15mHz. Ελεγχος ϑερµοκρασίας Ο έλεγχος ϑερµοκρασίας έχει δυο ϱόλους. Πρώτα, διατηρεί την ϑερµοκρασία του στροβίλου εντός των µηχανικών του ορίων, και παρακολουθεί τον ϱυθµό µεταβολής της ώστε να περιορίσει την ϑερµική καταπόνηση (Σχ. 2.14, 2.15). Επιπλέον, ϱυθµίζει 23 Η µεταβολή αυτή έχει άµεση επίδραση στις συνθήκες καύσης και στην ισχύ του στροβίλου. 24 ILS: Isochronous Load Sharing. 41

42 Σχήµα 2.14 Η ϑερµοκρασία του αεριοστροβίλου κατά τα στάδια λειτουργίας του. την ϑερµοκρασία καυσαερίων µέσω της ϐαλβίδας IGV στην είσοδο του συµπιεστή, δηµιουργώντας τις κατάλληλες συνθήκες στον ατµοστρόβιλο, για την λειτουργία συνδυασµένου κύκλου. Με άλλα λόγια, ο έλεγχος ϑερµοκρασίας είναι περιοριστικός ως προς τον αεριοστρόβιλο και ϱυθµιστικός ως προς τον ατµοστρόβιλο. Η τιµή της ϑερµοκρασίας δίνεται από την µέτρησή της στα καυσαέρια του α- εριοστροβίλου (Σχ. 5.4) - η µέτρηση στους ϑαλάµους καύσης δεν είναι πρακτική. Τα 31 ϑερµοζεύγη δίνουν τις µετρούµενες τιµές µέσω των µονάδων VTCC, και το Speedtronic εκτελεί την ανάλυσή, καταλήγοντας στην τιµή TTXM (Σχ. 2.16). Η τιµή αυτή εισάγεται και στον έλεγχο της ϐαλβίδας IGV (ανάλυση παρακάτω), προκειµένου να ϱυθµιστούν οι συνθήκες λειτουργίας του συµπιεστή. Παράλληλα, από τα δεδοµένα των καυσαερίων εκτελείται η έµµεση παρακολούθηση της καύσης. Με τον τρόπο αυτό, ανιχνεύονται οι προβληµατικοί καυστήρες από διάφορους συνδυασµούς µετρήσεων που εκτελεί το Speedtronic. Στον έλεγχο εισάγεται και η ϑερµοκρασία πε- ϱιβάλλοντος, ένας ιδιαίτερα σηµαντικός παράγοντας για τον έλεγχο αεριοστροβίλου. Ο έλεγχος ϑερµοκρασίας είναι ένας κλειστός ϐρόγχος ανάδρασης PI-lag, πρώτης τάξης. Εκτός από την τελική τιµή TTXM, δίνει τα σήµατα προειδοποίησης και αναγκαστικής διακοπής λόγω επικίνδυνης ϑερµοκρασίας, που έχει οριστεί στα 650 o C. Σε ότι αφορά τον ατµοστρόβιλο, ο έλεγχος εκτελεί τον αλγόριθµο Ταύτισης Θερ- µοκρασίας (Σχ. 2.17) προκειµένου να ϕέρει το κύκλωµα ατµού σε ετοιµότητα. Το σύστηµα ελέγχου του ατµοστροβίλου στέλνει την απαιτούµενη ϑερµοκρασία ατµού, και η τιµή ϕτάνει στο Speedtronic µέσω του DCS. Το σύστηµα του ατµοστροβίλου διατηρεί ενεργή την διαδικασία ώσπου η ϱοή υψηλής πίεσης ατµού να γίνει µεγαλύτερη του 30%. Τότε, είναι σε ϑέση να ϱυθµίσει τον ατµοστρόβιλο και να τερµατίσει 42

43 Σχήµα 2.15 Η σχέση ϑερµοκρασίας, ταχύτητας και FSR κατά την εκκίνηση. Σχήµα 2.16 Παρακολούθηση ϑερµοκρασίας καυσαερίων από την εφαρµογή Cimplicity. 43

44 Σχήµα 2.17 Παρακολούθηση ϑερµοκρασίας από το DCS (Temp. Matching Mode). την διαδικασία µέσω του DCS. Για τις µονάδες συνδυασµένου κύκλου, οι έλεγχοι ϑερµοκρασίας και ϐαλβίδας IGV είναι τα κύρια µέσα ϱύθµισης του ατµοστροβίλου. Η συνεργασία των δυο ελέγχων είναι αναγκαία, αφού ανταλλάσουν συνεχώς µετρήσεις και δεδοµένα. Ο ίδιος έλεγχος µπορεί να εµποδίσει την εξυπηρέτηση µεγαλύτερης ισχύος σε συνθήκες έντονης ϕόρτισης, επεµβαίνοντας στην ευστάθεια της µονάδας, προκειµένου να προστατευθεί µηχανικά ο στρόβιλος [25],[26]. Ελεγχος επιτάχυνσης Ο έλεγχος επιτάχυνσης επεµβαίνει κυρίως κατά την εκκίνηση και παύση της λειτουργίας, αλλά και όπου ο ϱυθµός µεταβολής της ταχύτητας υπερβεί τα µηχανικά όρια του στροβίλου. ίνει µια τιµή FSR ως ενδεικτική της τρέχουσας κατάστασης, που εξαρτάται τόσο από την ταχύτητα όσο και από την ϑερµοκρασία. Συνεργάζεται µε τον έλεγχο ϑερµοκρασίας, και έτσι προστατεύει τον στρόβιλο τόσο από την υπερτάχυνση όσο και από την ϑερµική καταπόνηση. Στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ, το όριο επιτάχυνσης/επιβράδυνσης είναι ϱυθµισµένο στο 16%/sec. Η παρέµβαση του ελέγχου στην ευστάθεια της µονάδας είναι σηµαντική, αφού σε κρίσιµές συνθήκες όπου απαιτείται µεγαλύτερη ισχύς, µπορεί να την εµποδίσει, προστατεύοντας τον στρόβιλο. 44

45 Σχήµα 2.18 Η ϐαλβίδα Inlet Guide Vane (IGV). Επάνω, ο µηχανισµός κίνησης της ϐαλβίδας µε την ένδειξη γωνίας των πτερυγίων. Κάτω αριστερά, διακρίνονται τα πτερύγια της ϐαλβίδας πριν το πρώτο στάδιο του συµπιεστή, και αριστερά, τα πτερύγια στην είσοδο του αέρα. Ελεγχος συµπιεστή και ϐαλβίδας IGV Η ϐαλβίδα Inlet Guide Vane (IGV) (Σχ. 2.18) είναι ϐασικό χαρακτηριστικό ενός αεροστροβίλου. Με την τοποθέτηση περιστρεφόµενων πτερυγίων στην εισαγωγή αέ- ϱα, επιτυγχάνεται η ϱύθµιση του λόγου πίεσης εισόδου/εξόδου του συµπιεστή, η ϱύθµιση της ϱοής αέρα στον στρόβιλο (airflow mass), καθώς και της ϑερµοκρασίας καύσης/καυσαερίων. Η µεταβολή της ϑερµοκρασίας καυσαερίων έχει άµεση σχέση µε τις συνθήκες λειτουργίας του συµπιεστή, και µεταβάλλεται µε συνάρτηση µορφής: (exhaust temp.) = f(compr. pressure ratio) Η τιµή αναφοράς ϑερµοκρασίας δίνεται από τον έλεγχο ϑερµοκρασίας. Για τον συµπιεστή, µετράται η πίεση εξαγωγής του στους ϑαλάµους καύσης και η ϑερµοκρασία του αέρα στην είσοδό του, αντιπροσωπεύοντας έτσι την ϑερµοκρασία περιβάλλοντος. Η µέτρηση γίνεται µε 3 αισθητήρες (1 ανά επεξεργαστή) από τις µονάδες VAIC. Με ϐάση αυτά τα µεγέθη, ο έλεγχος ϱυθµίζει την ϐαλβίδα για ϐέλτιστη λειτουργία συµπίεσης στην περιοχή 26.5 o -92 o. Ο έλεγχος επεµβαίνει και στη διαδικασία εκκίνησης, ανοίγοντας σταδιακά την ϐαλβίδα µε µια γραµµική συνάρτηση µορφής y = ax + b, όπως προκύπτει από τον έλεγχο ταχύτητας µέσω ϑερµοκρασίας. Η ϑερµοκρασία αναφοράς είναι ανεξάρτη- 45

46 Σχήµα 2.19 Ελεγχος IGV από την εφαρµογή Cimplicity. τη από το όριο ϑερµοκρασίας που ϑέτει ο έλεγχος καυσίµου, επιτρέποντας έτσι την µονάδα να αναλάβει ϕορτίο σε χαµηλές ϑερµοκρασίες, και να ελέγξει την ϑερµοκρασία καυσαερίων πολύ χαµηλότερα από το όριο του ατµοστροβίλου. Οταν η ϐαλβίδα ανοίξει ως την τελική της ϑέση, η ϕόρτιση συνεχίζεται µέχρι το όριο του ελέγχου ϑερµοκρασίας. Ετσι, διασφαλίζεται η προστασία του συµπιεστή από συνθήκες αντικανονικής λειτουργίας (stall, choked flow, ανάλυση στο Κεφ.5). Σε ότι αφορά την απόκριση του αεριοστροβίλου, αν απαιτηθεί µεγαλύτερη ισχύς σε οποιαδήποτε στιγµή, ο έλεγχος ανοίγει την ϐαλβίδα µε αναλογικό τρόπο ως το 87% της ονοµαστικής ισχύος και έπειτα ολοκληρωτικά, ως το 100% σε χρόνο περίπου 20sec. Ακόµη, στην περίπτωση απόρριψης ϕορτίου, ο έλεγχος κρατά την ϐαλ- ϐίδα σταθερή, περιορίζοντας την υπερτάχυνση του στροβίλου. Αυτό διότι, αυξάνεται η αέρια µάζα στον συµπιεστή, η πίεση εξαγωγής του, άρα και η περιεκτικότητα του µείγµατος σε αέρα στους ϑαλάµους καύσης. Ειδικά δε, για τον ατµοστρόβιλο ο έλεγχος καθορίζει έµµεσα την ισχύ του, µεταβάλλοντας την ϑερµοκρασία του ατµού στον λέβητα. Γίνεται λοιπόν αντιληπτό, πως η συµβολή του ελέγχου IGV είναι ϑεµελιώδης τόσο στην απόκριση του συνδυασµένου κύκλου, όσο και στην ευστάθειά του. Τιµές διέγερσης Το Speedtronic συνεργάζεται µε το σύστηµα διέγερσης EX2100 για τον έλεγχο της τάσης στους πόλους της γεννήτριας και την παραγωγή άεργου ισχύος, δίνοντας στο EX µόνο τα σηµεία αναφοράς τους. Τα σηµεία αυτά καθορίζονται είτε από τον 46

47 Σχήµα 2.20 Ο διακόπτης 52G της γεννήτριας του αεριοστροβίλου. Αριστερά, ϕαίνεται ο αποζεύκτης µιας ϕάσης του συστήµατος - ο διακόπτης ισχύος (10kA/40msec) είναι σε σφραγισµένο κέλυφος. Επίσης, διακρίνονται τα µετρητικά και προστατευτικά στοιχεία που τον συνοδεύουν. εξιά, άποψη ολόκληρου του συστήµατος (κατασκευή ABB, µοντέλο HECS 100L), όπως έχει εγκατασταθεί στην έξοδο της γεννήτριας του αεριοστροβίλου. χειριστή είτε από τους αλγορίθµούς του DCS, και µεταδίδονται στο Speedtronic προς ανάλυση και εκτέλεση. Η ανάδραση των µεγεθών δίνεται από µετασχηµατιστές µέτρησης στα σηµεία της γεννήτριας, και οι τιµές εισάγονται µέσω των µονάδων VGEN. Η επικοινωνία µε το EX γίνεται µέσω του διαύλου UDH, µε οπτικές ίνες λόγω της απαίτησης για γρήγορη µετάδοση. Συγχρονισµός Το Speedtronic διαθέτει έναν πλήρως αυτοµατοποιηµένο αλγόριθµο συγχρονισµού, µε τον οποίο οδηγεί τον στρόβιλο από την κατάσταση FSNL στην αρχική ϕόρτιση, ενεργώντας στον διακόπτη γεννήτριας, 52G (Σχ. 2.20). Σε συνεργασία µε τον έλεγχο ταχύτητας, ϱυθµίζει την ταχύτητα αναφοράς σύµφωνα µε την συχνότητα του δικτύου. Παράλληλα, παρακολουθώντας το διάνυσµα της τάσης δικτύου ϱυθµίζει, µέσω του EX2100, την τάση στους πόλους της γεννήτριας. Η επιτρεπτή διακύµανση της τάσης είναι µεταξύ των ±10% της ονοµαστικής τάσης, ενώ µετά το συγχρονισµό η επιτρεπτή διακύµανση µειώνεται στο ±5%. Ο συγχρονισµός µπορεί να είναι είτε αυτόµατος είτε χειροκίνητος, µέσω της εφαρµογής Cimplicity. Σε κάθε περίπτωση, η µονάδα προστασίας VPRO δίνει την έγκριση συγχρονισµού (synch permit), επιτρέποντας την ολοκλήρωση της διαδικασίας σύµφωνα µε τους περιορισµούς προστασίας. Το σύστηµα συγχρονισµού αποτελείται από 3 διαδικασίες, συνδεδεµένες στη σει- ϱά. Η ταυτόχρονη ικανοποίηση των συνθηκών, µέσω των αντίστοιχων ηλεκτρονόµων, οδηγεί τον διακόπτη 52G - ο έλεγχός του γίνεται αποκλειστικά από τους υπολογισµούς του Speedtronic. Οι διαδικασίες είναι οι εξής: A, το σήµα έναρξης συγχρονισµού. ίνεται από το Speedtronic όταν ολοκληρώσει 47

48 την διαδικασία εκκίνησης, και οπλίζει τον πρώτο ηλεκτρονόµο. B, η έγκριση συγχρονισµού που δίνει η µονάδα VPRO. Η ϕάση και η ολίσθηση συχνότητας σε σχέση µε την τάση γραµµής πρέπει να ϐρίσκονται εντός ορίων - τα όρια σχηµατίζουν ένα ϱυθµιζόµενο παράθυρο. C, ο έλεγχος για τις συνθήκες ϐέλτιστου συγχρονισµού, όταν έχει επιλεχθεί ως αυτόµατος (auto synch). Ρυθµίζει την µονάδα ώστε ο διακόπτης να κλείσει στο άνω νεκρό σηµείο του συγχροσκοπίου, και εκτελείται στη µονάδα VTUR. Ελεγχος συγχρονισµού [B] Η µονάδα προστασίας VPRO παρακολουθεί την ϕάση και την ολίσθηση συχνότητας 25 στις δυο πλευρές του διακόπτη 52G. Ο αλγόριθµος ϐασίζεται σε τεχνικές Βρόγχου Κλειδωµένης Φάσης (PLL) προκειµένου να µην επη- ϱεάζεται από ϑορύβους. Τα όρια των δυο µεγεθών καθορίζονται από τις µηχανικές ιδιότητες της γεννήτριας και του διακόπτη της. Σχηµατίζουν ένα ορθογώνιο µέσα στο οποίο πρέπει να ϐρίσκεται το σηµείο λειτουργίας (Σχ. 2.21). Ο αλγόριθµος δίνει έγκριση ακόµη και µε αρνητική ολίσθηση (προήγηση δικτύου). Τα όρια του ορθογωνίου δίνονται στον Πίν Οταν διαπιστωθεί ότι οι τρέχουσες συνθήκες είναι εντός των ορίων οπλίζει τον δεύτερο ηλεκτρονόµο. Η διάταξη της µονάδας είναι TMR, µε συµψηφισµό τιµών 2/3. Αυτόµατος συγχρονισµός, ϐέλτιστες συνθήκες, [C] Οταν έχει επιλεχθεί ο αυτόµατος συγχρονισµός, η µονάδα VTUR ϕέρνει τη συχνότητα στην επιθυµητή τιµή, προκειµένου να επιτευχθεί η καλύτερη δυνατή ταύτιση των διανυσµάτων γεννήτριας και δικτύου. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του αλγορίθµου είναι η πρόβλεψη της επό- µενης κατάστασης των µεγεθών, σύµφωνα µε τις τρέχουσες µετρήσεις, κυρίως της επιτάχυνσης του στροβίλου. Ετσι, ενεργοποιεί τον τελευταίο ηλεκτρονόµο µόνο όταν κρίνει πως στα προσεχή δευτερόλεπτα, το συγχροσκόπιο ϑα ϐρίσκεται στο άνω νεκρό σηµείο, µε απόκλιση ±1 o. Για την πρόβλεψη αυτή λαµβάνει υπ οψη τον χρόνο κλεισίµατος του διακόπτη 52G, όπως καταγράφτηκε στους προηγούµενους συγχρονισµούς, και τον χρόνο κλεισίµατος που αναµένεται ότι ϑα έχει. Η ενεργοποίηση γίνεται µόνο όταν η γεννήτρια καθυστερεί την δεδοµένη χρονική στιγµή, καθυστε- ϱούσε για τουλάχιστον 10 συνεχείς κύκλους, και προβλέπεται ότι ϑα προηγείται στον επόµενο κύκλο. Συνήθως, το κλείσιµο επιτυγχάνεται για ολίσθηση +0.12Hz, ενώ δεν επιτρέπεται η αρνητική ολίσθηση, όπως στη µονάδα VPRO. Επειτα από επιτυχή συγχρονισµό, το Speedtronic αυξάνει την ϕόρτιση στην τιµή στρεφόµενης εφεδρείας, που είναι το 8% της ονοµαστικής ισχύος, ή τα 20MW. 25 Ολίσθηση συχνότητας (phase slip) είναι η διαφορά των συχνοτήτων γεννήτριας και δικτύου. 48

49 Σχήµα 2.21 Τα παράθυρα συγχρονισµού του Speedtronic. Επάνω αριστερά, τα όρια για την έγκριση συγχρονισµού, και δεξιά, τα όρια για το κλείσιµο του διακόπτη, στον αυτόµατο συγχρονισµό. Η κόκκινη ευθεία είναι η πορεία των µεγεθών της γεννήτριας, όπως προβλέφθηκε από το Speedtronic στην περίπτωση επιτυχούς συγχρονισµού. Κάτω, η πλήρης ακολουθία. Οι τιµές στα διαγράµµατα είναι οι πραγµατικές, όπως έχουν ϱυθµιστεί στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ.. Σχήµα 2.22 Ελεγχος συγχρονισµού από την εφαρµογή Cimplicity. 49

50 Πίνακας 2.1: Τα όρια για τις συνθήκες συγχρονισµού. Μέγεθος Περιοχή τιµών Εγκριση συγχρονισµού Φάση ±30 o (VPRO) Ολίσθηση ±0.5Hz Αυτόµατος συγχρονισµός Φάση 0-20 o (VTUR) Ολίσθηση Hz Πρόσθετοι έλεγχοι Παράλληλα µε τα παραπάνω, το Speedtronic εκτελεί τους εξής ελέγχους: - παρακολούθηση εκποµπών καυσαερίων. Λόγω της καύσης ϕυσικού αερίου, είναι αναγκαίο να ελέγχονται οι ϱύποι των αεριοστροβίλων. Με κατάλληλη ϱύθ- µιση της καύσης και της συµπίεσης, είναι δυνατή η συγκράτηση των εκποµπών NO x στα επιβαλλόµενα επίπεδα. Άλλωστε, η σχεδίαση του συστήµατος καύσης DLN της General Electric καταφέρνει να περιορίσει τις εκποµπές χωρίς πρόσθετη επέµβαση. - υδραυλικό σύστηµα λαδιού. Το σύστηµα αυτό παρέχει λάδι υπό πίεση για τις υδραυλικές ανάγκες του συστήµατος προστασίας Trip Oil (ανάλυση στο Κεφ.5) και του συστήµατος ανύψωσης του κοινού άξονα. ιαθέτει αποκλειστικές αντλίες και συστήµατα ψύξης, που ελέγχονται από το Speedtronic. 2.3 οκιµές Σταθµού και συµµόρφωση µε τον Κώδικα ιαχείρισης Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα της δοκιµαστικής λειτουργίας του σταθµού ΕΝ.ΘΕΣ. που έγιναν στην περίοδο αξιολόγησής του. Ειδικότερα, παρουσιάζονται οι δοκιµές εκείνες που αφορούν τον έλεγχο συχνότητας και ϕορτίου του σταθµού, και αποδεικνύουν την συµµόρφωση της λειτουργίας µε τα άρθρα του Κώδικα ιαχείρισης και Συναλλαγών [10] Πρωτεύουσα εφεδρεία και ϱύθµιση συχνότητας Η δοκιµή αυτή δείχνει την ικανότητα του σταθµού να ϱυθµίζει συνεχώς την ενεργό ισχύ του, συµβάλλοντας έτσι στον έλεγχο συχνότητας και στην αντιστάθµιση των µεταβολών της. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι η λειτουργία της µονάδας σε συνδυασµένο κύκλο, µε καύση αερίου στον αεριοστρόβιλο και τον ατµοστρόβιλο να ϐρίσκεται 50

51 σε ελεύθερη ϕόρτιση (unrestricted load, sliding pressure mode) [8]. Η διαδικασία της δοκιµής έχει ως εξής: - αρχική ϱύθµιση ισχύος του σταθµού στα 335MW/85% (αεριοστρόβιλος στα 220MW), - µεταβολή της συχνότητας δικτύου που αντιλαµβάνεται το Speedtronic, µέσω κατάλληλης προσοµοίωσης στην εφαρµογή του (injected signal), χωρίς καµία µεταβολή στον έλεγχο του ατµοστροβίλου. Ετσι, η µεταβολή στην ισχύ του σταθµού αντιστοιχεί στην απόκριση του αεριοστροβίλου. Το πλάτος του τεχνητού σήµατος που εισάγεται είναι 20mHz για διάρκεια 10sec και η ισχύς του σταθµού αφήνεται να σταθεροποιηθεί για 10min. Το σήµα αποµακρύνεται και η ισχύς του σταθµού αφήνεται να σταθεροποιηθεί. Η διαδικασία επαναλαµβάνεται για σήµα πλάτους 20mHz και για διάρκεια 0.1sec. - αναµένεται απόκριση που ακολουθεί τον καθορισµένο στατισµό (4%) του αε- ϱιοστροβίλου. Στο Σχ δίνονται αντιπροσωπευτικά 2 από τις 4 δοκιµές, η ϐηµατική µεταβολή 0.2Hz για 10sec, και η ϐηµατική µεταβολή -0.2Hz για 0.1sec. ιαπιστώνεται πως η απόκριση του Speedtronic είναι ταχύτατη - σχεδόν αµέσως, και οι µεταβολές του αεριοστροβίλου δεν παρουσιάζουν έντονες κυµατώσεις. Μαθηµατικά, η πρωτεύουσα εφεδρεία του σταθµού υπολογίζεται ως εξής: P = P nom [droop] f f 100 = 385 4% = 38.5MW Η διακύµανση στην συνολική ισχύ του σταθµού κατά την ϐηµατική µεταβολή µετρήθηκε στα 34.1MW, άρα: [droop] = P nom P f f 100 = = 4.52% 51

52 Σχήµα 2.23 οκιµή πρωτεύουσας εφεδρείας - ϐηµατικές µεταβολές των 0.2Hz. 52 Επάνω, η τεχνητή ϐηµατική µεταβολή των 0.2Hz για 10sec και κάτω η µεταβολή των -0.2Hz για 0.1sec. Στα αριστερά διαγράµµατα δίνεται το ϐήµα (%) και η µεταβολή της ταχύτητας του άξονα (προσοµοιωµένη), και στα δεξιά δίνονται οι µεταβολές στην ενεργό ισχύ και στην τιµή καυσίµου FSR. Η µεταβολή των 0.2Hz προσοµοιώνει αύξηση της συχνότητας του δικτύου, άρα η µονάδα πρέπει να ανταποκριθεί µειώνοντας την παραγωγή της, πράγµα που συµβαίνει στην ισχύ εξόδου και στην τιµή καυσίµου που µειώνονται αµέσως. Αντίστοιχη είναι η απόκριση για την µεταβολή των -0.2Hz, στα κάτω διαγράµµατα.

53 ιατάξεις Κώδικα ιαχείρισης Οι διατάξεις του Κώδικα ιαχείρισης που αναφέρονται στην πρωτεύουσα εφεδρεία είναι οι εξής: Αρθρο 125, παρ.1-8: Πρωτεύουσα ϱύθµιση συχνότητας ορίζεται η συλλογική αυτόµατη διορθωτική αντίδραση των µονάδων παραγωγής και των ϕορτίων στις αποκλίσεις της πραγµατικής συχνότητας του συστήµατος από την συχνότητα αναφοράς, εντός 30sec από την εκδήλωση της διαταραχής. Η αυτόµατη διορθωτική αντίδραση είναι το αποτέλεσµα της αυτόµατης ϱύθµισης της ενεργού ισχύος των µονάδων, ανάλογα µε τον στατισµό του ϱυθµιστή ϕορτίου.(...) Εφεδρεία πρωτεύουσας ϱύθµισης είναι η µεταβολή της παραγόµενης ενεργού ισχύος της µονάδας ως αυτόµατη αντίδραση του ϱυθµιστή στροφών, προκειµένου να λάβει χώρα η πρωτεύουσα ϱύθµιση συστήµατος, για απόκλιση συχνότητας από την συχνότητα αναφοράς ίση µε ±200mHz. Η µεταβολή της ενεργού ισχύος πρέπει να λαµβάνει χώρα εντός 30sec από την εκδήλωση της διαταραχής και το επίπεδο παραγωγής να διατηρείται τουλάχιστον για 15sec. Αρθρο 275, παρ.8: Οι µονάδες παραγωγής πρέπει να παρέχουν πρωτεύουσα εφεδρεία λειτουργίας σε MW εξόδου µονάδας µεγαλύτερη του 3% της Καταχωρηµένης Ικανότητας τουλάχιστον για εύρος 50-97% της Καταχωρηµένης Ικανότητας. Κάθε µονάδα πρέπει να έχει δυνατότητα ϱύθµισης πρωτεύουσας ϱύθµισης συχνότητας. Ο στατισµός της µονάδας πρέπει να προσαρµόζεται σύµφωνα µε τις προδιαγραφές του ιαχειριστή. Ο παραγωγός οφείλει να µπορεί να ενεργοποιήσει εντός 30sec την απαιτούµενη πρωτεύουσα εφεδρεία λειτουργίας για µεταβατική διακύµανση συχνότητας ±200mHz και να την διατηρεί για τουλάχιστον 15 λεπτά. Αρθρο 275, παρ.18: Σε κάθε µονάδα παραγωγής προσαρµόζεται ταχύς αναλογικός ϱυθµιστής στροφών, που επιτρέπει την απόκριση στη συχνότητα υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας. Ο σχεδιασµός και η λειτουργία του ϱυθµιστή στροφών µε συνήθη ϱύθµιση κυµαίνεται µεταξύ 3-5%. Αρθρο 141, παρ.1: Για τις ανάγκες της πρωτεύουσας ϱύθµισης και εφεδρείας οι µονάδες παραγωγής σε συγχρονισµό µε το Σύστηµα οφείλουν να λειτουργούν συνεχώς υπό τον έλεγχο ϱυθµιστή ϕορτίου µονάδας. Στη λειτουργία του ϱυθµιστή ϕορτίου δεν επιτρέπεται να εφαρµόζεται ανενεργός Ϲώνη συχνότητας µεγαλύτερη των ±20mHz περιλαµβανοµένου και του σφάλµατος µέτρησης. 53

54 Συµπεραίνεται ότι ο σταθµός συµµορφώνεται µε τις απαιτήσεις πρωτεύουσας ϱύθµισης και εφεδρείας, αφού οι πραγµατικές τιµές του ϐρίσκονται µέσα στα όρια του Κώδικα, ενώ η ταχύτητα απόκρισης του σταθµού είναι ιδιαίτερα ικανοποιητική. Σε ότι αφορά την ανενεργό Ϲώνη του ϱυθµιστή ϕορτίου (Άρ.141, παρ.1), η ανώτερη επιτρεπτή τιµή του είναι τα ±20mHz. Η General Electric ϱυθµίζει την ανενεργό Ϲώνη του Speedtronic στα 30mHz, και ϑεωρεί πως οποιαδήποτε τιµή κάτω των 15mHz κάνει τον ϱυθµιστή ιδιαίτερα ευαίσθητο, και µπορεί να τον οδηγήσει σε δυναµικές ταλαντώσεις και αναγκαστικές διακοπές (trip). Ωστόσο, κατόπιν ειδικής παραγγελίας για λόγους συµβατότητας µε τον Κώδικα ιαχείρισης, στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ η ανενεργός Ϲώνη ϱυθµίστηκε στα 15mHz ευτερεύουσα εφεδρεία και ϱύθµιση συχνότητας Η δοκιµή αυτή δείχνει την ικανότητα του σταθµού να ϱυθµίζει συνεχώς την ενεργό ισχύ του, συµβάλλοντας έτσι στην δευτερεύουσα ϱύθµιση συχνότητας, και στην αντιστάθµιση των µεταβολών της. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι η λειτουργία της µονάδας σε συνδυασµένο κύκλο, µε καύση αερίου στον αεριοστρόβιλο, τον ατµοστρόβιλο να ϐρίσκεται σε ελεύθερη ϕόρτιση (unrestricted load, sliding pressure mode) και ενεργοποιηµένο τον ϱυθµιστή ϕορτίου του σταθµού Plant Load Controller, ο οποίος προσδιορίζει την ισχύ του αεριοστροβίλου για δεδοµένη ισχύ του σταθµού. Η διαδικασία της δοκιµής έχει ως εξής: - ο σταθµός ϱυθµίζεται και σταθεροποιείται σε παραγωγή baseload, που εξαρτάται από τις ϑερµοκρασιακές συνθήκες (αεριοστρόβιλος σε έλεγχο ϑερµοκρασίας), - στον Plant Load Controller δίνεται τιµή παραγωγής ίση µε 60% και η παραγωγή σταθεροποιείται εκεί για 30min, - αναµένεται το 60% της ισχύος του σταθµού, µε ϱυθµό µεταβολής µεγαλύτερο του 4%/min. - στον Plant Load Controller δίνεται τιµή παραγωγής ίση µε baseload, και η παραγωγή σταθεροποιείται εκεί για 30min, - αναµένεται το baseload της ισχύος του σταθµού, µε ϱυθµό µεταβολής µεγαλύτερο του 4%/min. ιαπιστώνεται (Σχ. 2.24, 2.25) ότι οι ϱυθµοί µεταβολής είναι οι αναµενόµενοι, και οι τελικές τιµές αποκαθίστανται µέσα στα αποδεκτά περιθώρια χρόνου. 54

55 55 Σχήµα 2.24 οκιµή δευτερεύουσας εφεδρείας - µετάβαση από το 60% στο baseload του σταθµού.

56 56 Σχήµα 2.25 οκιµή δευτερεύουσας εφεδρείας - µετάβαση από το baseload στο 60% του ϕορτίου.

57 ιατάξεις Κώδικα ιαχείρισης Οι διατάξεις του Κώδικα ιαχείρισης που αναφέρονται στην δευτερεύουσα εφεδρεία είναι οι εξής: Αρθρο 275, παρ.7: Ο ϱυθµός ανόδου/καθόδου της µονάδας πρέπει να είναι µεγαλύτερος από το 1.5%/min της Καταχωρηµένης Ικανότητας. Αρθρο 275, παρ.8: Οι µονάδες πρέπει να παρέχουν δευτερεύουσα εφεδρεία λειτουργίας σε MW εξόδου µονάδας µεγαλύτερη του 3% της Καταχωρηµένης Ικανότητας τουλάχιστον για εύρος 50-97% της Καταχωρηµένης Ικανότητας. Αρθρο 125, παρ.1-8: ευτερεύουσα ϱύθµιση συχνότητας ορίζεται η ϱύθ- µιση η οποία είναι το αποτέλεσµα κεντρικής λειτουργίας της αυτόµατης ϱύθµισης παραγωγής, µέσω της οποίας τηλερυθµίζεται η παραγωγή ενεργού ισχύος των µονάδων, εφόσον η ϱύθµιση λαµβάνει χώρα σε χρονικό διάστηµα από 10sec ως 15min από την ενεργοποίησή της.(...) Εφεδρεία δευτερεύουσας ϱύθµισης είναι το περιθώριο µεταβολής της παραγόµενης ενεργού ισχύος των µονάδων µε συγκεκριµένο ϱυθµό µέσω τηλερύθµισής της από την κεντρική λειτουργία Αυτόµατης Ρύθµισης Παραγωγής, ώστε να λαµβάνει χώρα η δευτερεύουσα ϱύθµιση, εφόσον αυτό το περι- ϑώριο µεταβολής είναι διαθέσιµο εντός 15min από την ενεργοποίηση της δευτερεύουσας ϱύθµισης. Αρθρο 142, παρ.1: Ως αυτόµατη ϱύθµιση παραγωγής νοείται το σύστηµα δευτερεύουσας ϱύθµισης παραγωγής που εφαρµόζεται στο Σύστηµα. Οι µονάδες παραγωγής µε Καταχωρηµένη Ικανότητα µεγαλύτερη των 60MW υποχρεούνται να συµµετέχουν στην αυτόµατη ϱύθµιση παραγωγής και να λειτουργούν υπό αυτή όταν παραµένουν εντός της περιοχής ελέγχου που ορίζεται στα δηλωµένα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους. Αρθρο 91, παρ.5: Σε εντολές κατανοµής για αλλαγή της ενεργού ισχύος µιας κεντρικά κατανεµόµενης µονάδας παραγωγής, οι παραγωγοί οφείλουν να προσαρµόζουν το επίπεδο παραγωγής τους µε απόκλιση ±5MW, χωρίς καθυστέρηση για την επίτευξη νέου στόχου. Συµπεραίνεται ότι ο σταθµός συµµορφώνεται µε τις απαιτήσεις δευτερεύουσας ϱύθµισης, αφού οι πραγµατικές τιµές του ϐρίσκονται µέσα στα όρια του Κώδικα, ενώ η ταχύτητα απόκρισης του σταθµού είναι ιδιαίτερα ικανοποιητική. Τονίζεται ότι ο σταθµός λειτουργεί σε αυτόµατη ϱύθµιση παραγωγής µόνο στην περιοχή % ονοµαστικής ισχύος, όπου και ϐρίσκεται σε λειτουργία ελεγχόµενων εκποµπών NO x. 57

58 2.3.3 Ρυθµοί µεταβολής ενεργού ισχύος Η δοκιµή αυτή δείχνει την ικανότητα του σταθµού να µεταβάλλει την παραγωγή του µε ϱυθµούς µεταβολής που συµβαδίζουν µε τον Κώδικα ιαχείρισης, και ταυτόχρονα δεν διαταράσσουν την διαδικασία συνδυασµένου κύκλου. Η δοκιµή γίνεται σε δυο στάδια, ως εξής: για την επίδειξη µεταβολών από και προς το µέγιστο ϕορτίο: (Σχ. 2.26) - ο σταθµός λειτουργεί σταθερά στα 390MW (baseload), - µεταβαίνει στο ϕορτίο των 290MW (70% παραγωγής) µε ϱυθµό 16MW/min (4%/min) και σταθεροποιείται για 10min, - µεταβαίνει στο ϕορτίο των 250MW (60% παραγωγής) µε ϱυθµό 16MW/min (4%/min) και σταθεροποιείται για 1 ώρα, - µεταβαίνει στο ϕορτίο των 290MW µε ϱυθµό 16MW/min (4%/min) και σταθε- ϱοποιείται για 10min, - µεταβαίνει στο ϕορτίο των 390MW µε ϱυθµό 16MW/min (4%/min). 58

59 59 Σχήµα 2.26 Ρυθµοί µεταβολής από και προς µέγιστο ϕορτίο.

60 Για την επίδειξη του µέγιστου ϱυθµού µεταβολής (Σχ. 2.27): - ο σταθµός λειτουργεί σταθερά στα 250MW (60% παραγωγής), - µεταβαίνει στο µέγιστο ϕορτίο των 390MW (baseload) µε ϱυθµό ανόδου 25MW/min, - µεταβαίνει στο ελάχιστο ϕορτίο (ΑΕΠ) των 250MW µε ϱυθµό καθόδου 25MW/min. Σε κάθε περίπτωση, οι τιµές συµµορφώνονται µε τα όρια του Κώδικα ιαχείρισης, προσφέροντας πολύ καλύτερη απόκριση από αυτήν του 1.5%/min, που ορίζει το παρακάτω άρθρο του: Αρθρο 275, παρ.7: Ο ϱυθµός ανόδου/καθόδου της µονάδας πρέπει να είναι µεγαλύτερος από το 1.5%/min της Καταχωρηµένης Ικανότητας. 60

61 61 Σχήµα 2.27 Μέγιστοι ϱυθµοί µεταβολής.

62 2.3.4 Εντολές κατανοµής ϕορτίου από ΕΣΜΗΕ Η δοκιµή αυτή δείχνει την ικανότητα του σταθµού να δέχεται εντολές κατανο- µής ϕορτίου από το Κέντρο Κατανοµής (ΚΚ) και να τις υλοποιεί άµεσα. Αρχικά, δοκιµάζεται η αξιοπιστία των εντολών ως εξής: - ο σταθµός λειτουργεί σταθερά στα 300MW µε τον αεριοστρόβιλο σε External load selection, τον ϱυθµιστή ϕορτίου του σταθµού σε Remote mode, και το άνω όριο αποδεκτού ϕορτίου από το ΚΚ στα 350MW, - το ΚΚ δίνει εντολή 390MW, - η ϕόρτιση αναµένεται να ϕτάσει ως τα 350MW, ως αποτέλεσµα του περιορισµού, - το κάτω όριο αποδεκτού ϕορτίου από το ΚΚ ορίζεται στα 300MW, - το ΚΚ δίνει εντολή 280MW, - η ϕόρτιση αναµένεται να ϕτάσει ως τα 300MW, ως αποτέλεσµα του περιορισµού. 62

63 63 Σχήµα 2.28 Υλοποίηση εντολών κατανοµής ϕορτίου.

64 Επειτα, δοκιµάζεται η συνεργασία του σταθµού µε τις εντολές κατανοµής από το ΚΚ, ως εξής: - ο σταθµός λειτουργεί σταθερά στα 300MW µε τον αεριοστρόβιλο σε External load selection και τον ϱυθµιστή ϕορτίου του σταθµού σε Market mode, - το ΚΚ στέλνει διαδοχικές εντολές κατανοµής και ο σταθµός προσαρµόζεται στα επίπεδα των 330, 350, 370, 330, 290, 300, 290MW. ιαπιστώνεται (Σχ. 2.28) πως και στις δυο δοκιµές, η ϕόρτιση του σταθµού µετα- ϐάλλεται µέσα στα προκαθορισµένα όρια, και υλοποιεί άµεσα τις εντολές κατανοµής, χωρίς αποκλίσεις. ιατάξεις Κώδικα ιαχείρισης Οι διατάξεις του Κώδικα ιαχείρισης που αναφέρονται στις εντολές κατανοµής είναι οι εξής: Αρθρο 142, παρ.1: Ως αυτόµατη ϱύθµιση παραγωγής νοείται το σύστηµα δευτερεύουσας ϱύθµισης παραγωγής που εφαρµόζεται στο Σύστηµα. Οι µονάδες παραγωγής µε Καταχωρηµένη Ικανότητα µεγαλύτερη των 60MW υποχρεούνται να συµµετέχουν στην αυτόµατη ϱύθµιση παραγωγής και να λειτουργούν υπό αυτή όταν παραµένουν εντός της περιοχής ελέγχου που ορίζεται στα δηλωµένα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους. Αρθρο 91, παρ.5: Σε εντολές κατανοµής για αλλαγή της ενεργού ισχύος µιας κεντρικά κατανεµόµενης µονάδας παραγωγής, οι παραγωγοί οφείλουν να προσαρµόζουν το επίπεδο παραγωγής τους µε απόκλιση ±5MW, χωρίς καθυστέρηση για την επίτευξη νέου στόχου Λοιπές διατάξεις του Κώδικα ιαχείρισης Τα υπόλοιπα άρθρα του Κώδικα ιαχείρισης που αναφέρονται στον έλεγχο συχνότητας και παραγωγής και αξίζει να αναφερθούν είναι τα εξής: Αρθρο 125, παρ.1-8: Τριτεύουσα ϱύθµιση συχνότητας ορίζεται η ϱύθµιση που λαµβάνει χώρα περιοδικά, µε περίοδο λίγων λεπτών, προκειµένου να αποκατασταθεί το επίπεδο δευτερεύουσας εφεδρείας, εφόσον αυτό έχει µεταβληθεί ως αποτέλεσµα λειτουργίας της δευτερεύουσας ϱύθµισης.(...) Εφεδρεία τριτεύουσας ϱύθµισης είναι το περιθώριο µεταβολής της πα- ϱαγόµενης ενεργού ισχύος των µονάδων στο χρονικό διάστηµα µεταξύ 90sec και 15min µετά από σχετική εντολή, ώστε να λαµβάνει χώρα η 64

65 τριτεύουσα ϱύθµιση.(...) Τριτεύουσα στρεφόµενη εφεδρεία µονάδας ορί- Ϲεται η εφεδρεία τριτεύουσας ϱύθµισης η οποία είναι συγχρονισµένη στο σύστηµα. Αρθρο 275, παρ.8: Οι µονάδες παραγωγής πρέπει να παρέχουν τριτεύουσα εφεδρεία λειτουργίας σε MW εξόδου µονάδας µεγαλύτερη του 10% της Καταχωρηµένης Ικανότητας τουλάχιστον για εύρος 50-90% της Καταχωρηµένης Ικανότητας και στατή εφεδρεία λειτουργίας σε MW εξόδου µονάδας µεγαλύτερη του 25% της Καταχωρηµένης Ικανότητας τουλάχιστον για εύρος 50-75% της Καταχωρηµένης Ικανότητας. Αρθρο 275, παρ.7: Για τις µονάδες συνδυασµένου κύκλου πρέπει να ισχύουν τα εξής: Απαγορευµένες Ϲώνες λειτουργίας Φορτίο κατά τον συγχρονισµό δεν επιτρέπονται µικρότερο του 10% της Καταχωρηµένης Ικανότητας Αρθρο 275, παρ.13: Οταν ο χρόνος εκκίνησης µιας µονάδας παραγωγής υπερβαίνει τα 30 λεπτά, ϑα πρέπει να υπάρχει κατάλληλος σχεδιασµός ώστε να έχει την ικανότητα όταν διακόπτεται η σύνδεση µε το Σύστηµα, να περιορίζεται η παραγωγή της ώστε να καλύπτονται µόνο τα ϕορτία ϐοηθητικών. 65

66 66

67 Κεφάλαιο 3 Εκκίνηση αεριοστροβίλου 3.1 Το πρόβληµα της εκκίνησης Η εκκίνηση στροβιλογεννήτριας είναι η αύξηση στροφών του άξονα ως την ονοµαστική τιµή του στροβίλου, είτε από στάσιµη κατάσταση είτε από κατάσταση αναµονής. Προϋποθέτει την διαθεσιµότητα της παροχής του στροβίλου και του συστήµατος ε- λέγχου της. Ακόµη, διαφέρει από την εκκίνηση µονάδας, η οποία περιλαµβάνει την εκκίνηση και λειτουργία των περιφερειακών συστηµάτων, µε πιθανή απορρόφηση αναγκαίας ισχύος από το δίκτυο ή άλλη πηγή. Η διαδικασία εκκίνησης µιας αεριοστροβιλικής µονάδας είναι µια σχετικά απλή και γρήγορη διαδικασία µε χαµηλό κόστος, συγκρινόµενη µε την εκκίνηση µιας ατµοηλεκτρικής µονάδας, που είναι πολύπλοκη και χρονοβόρα 1. Το ίδιο ισχύει και για την ϱύθµιση ισχύος, η οποία είναι ταχύτατη - οι εντολές του ϱυθµιστή στροφών εµφανίζονται άµεσα στην ισχύ εξόδου της µονάδας. Ετσι, λόγω της γρήγορης απόκρισής τους, εκτός από εξυπηρέτηση του ϕορτίου ϐάσης, οι αεριοστροβιλικές µονάδες συχνά χρησιµοποιούνται για κάλυψη ϕορτίων αιχµής, ή αποκατάσταση συστήµατος έπειτα από κατάρρευση [1, 2]. Για την εκκίνηση των µονάδων συνδυασµένου κύκλου έχει αναπτυχθεί µεγάλη έρευνα γύρω από τον προγραµµατισµό τους. Το πρόβληµα αυτό εντοπίζεται στην ελαχιστοποίηση του χρόνου εκκίνησης µε τη µικρότερη δυνατή καταπόνηση στον ϱότορα του στροβίλου 2, και ταυτόχρονα, το µικρότερο δυνατό κόστος εκκίνησης. Για την επίλυση του προβλήµατος αυτού, έχουν εφαρµοστεί πολλές δοκιµασµένες µέ- ϑοδοι (δυναµικός προγραµµατισµός, γενετικοί αλγόριθµοι [27, 28]), χωρίς όµως να 1 Ενδεικτικά αναφέρεται πως στους ελληνικούς ατµοηλεκτρικούς σταθµούς, οι µονάδες αναλαµ- ϐάνουν ονοµαστικό ϕορτίο σε 8 περίπου ώρες από την ψυχρή εκκίνησή τους. Το κόστος ψυχρής εκκίνησης αντιστοιχεί σε περίπου 5-6 ώρες συνεχούς λειτουργίας σε ονοµαστικό ϕορτίο (για µονάδα 300MW) [2]. 2 Κατά την ψυχρή εκκίνηση, οι έντονες µεταβολές ϑερµοκρασίας στους ϑαλάµους καύσης και στην έξοδο των καυσαερίων καταπονούν σηµαντικά τον αεριοστρόβιλο. 67

68 απλοποιούν ιδιαίτερα το πρόβληµα. Αυτό συµβαίνει, διότι ο χαρακτήρας του είναι έντονα µη γραµµικός και εξαρτάται από πλήθος αλληλένδετων µεταβλητών (ϑερµοκρασίες, πιέσεις, ταχύτητες, χρόνοι κράτησης, ηλεκτρικό ϕορτίο). Η ακολουθία εκκίνησης του αεριοστροβίλου δεν είναι πολύπλοκη, αλλά προϋπο- ϑέτει ϱοπή, έστω και µικρή, στον άξονά του. Αυτό είναι αναγκαίο, διότι οι σύγχρονοι αεριοστρόβιλοι συµπιέζουν τον ατµοσφαιρικό αέρα µέσω περιστροφής, σε συµπιεστή πολλαπλών σταδίων τοποθετηµένο στον άξονά τους (axial-flow compressor). Με την προϋπόθεση αυτή, εισάγεται καύσιµο στους ϑαλάµους καύσης, αναφλέγεται το µείγµα, και ο άξονας επιταχύνεται προοδευτικά στις ονοµαστικές στροφές. Κατά την διαδικασία αυτή, το µεγαλύτερο µέρος της κινητικής ενέργειας δίνεται από το σύστηµα εκκίνησης και όχι από την καύση του µείγµατος. Το πρόβληµα της αρχικής ϱοπής στον άξονα του στροβίλου είναι περίπλοκο για µεγάλες στροβιλογεννήτριες και απλούστερο για µικρότερες, διότι πρέπει να περιστραφεί από ϑέση ηρεµίας, η αδρανής µάζα του κοινού άξονα στροβίλου και γεννήτριας, ως τις ονοµαστικές στροφές. Για το σκοπό αυτό, έχουν αναπτυχθεί διάφορα συστήµατα, είτε ηλεκτροκινητήρες, είτε µηχανές diesel, σε συνεργασία µε συστήµατα σύµπλεξης µε τον άξονα της στροβιλογεννήτριας. Επίσης, µια σύγχρονη µέθοδος εκκίνησης είναι η χρήση τεχνολογίας αντιστροφέων (inverters) ή κυκλοµετατροπέων (cycloconverters), για ελεγχόµενη και προοδευτική αύξηση στροφών, µε τη ϐοήθεια επαγωγικών κινητήρων. Η µόνη απαίτηση που ϑέτουν τέτοια συστήµατα, είναι η επάρκεια ηλεκτρικής ισχύος, ανάλογα µε το ϐάρος του άξονα. Άλλωστε, η ισχύς που απαιτείται για την εκκίνηση καθορίζει έντονα το ϱόλο που έχει η µονάδα στο δίκτυο. Σε περίπτωση πτώσης του συστήµατος, συγκεκριµένες µονάδες επιλέγονται για να επαναφέρουν το δίκτυο σταδιακά σε λειτουργία. Η επιλογή αυτή γίνεται αποκλειστικά µε κριτήρια ισχύος - συγκεκριµένα, εκκινούν µόνο οι µονάδες που είναι ενεργειακά αυτόνοµες ή απαιτούν ελάχιστη εξωτερική ισχύ (συνήθως υδροηλεκτρικές). Αυτή η ικανότητα εκκίνησης ονοµάζεται black-start capability. Τονίζεται ότι η απαιτούµενη ισχύς εκκίνησης µιας µονάδας καθορίζεται κυρίως από την ισχύ των αναγκαίων περιφερειακών συστηµάτων για να εκκινήσουν τους στροβίλους της. Πέρα από την αναγκαία ισχύ, η διαδικασία της εκκίνησης χαρακτηρίζεται και από τον χρόνο ολοκλήρωσής της. Στην εξυπηρέτηση ϕορτίου σε ένα δίκτυο, η εκκίνηση µιας µονάδας καθορίζει το χρονικό διάστηµα στο οποίο η µονάδα ϑα είναι έτοιµη να αναλάβει ϕορτίο. Μονάδες που εκκινούν γρήγορα, αντιµετωπίζονται διαφορετικά από τον διαχειριστή του δικτύου, και συνδέονται συχνότερα σε περιπτώσεις αυξηµένης Ϲήτησης. 68

69 Σχήµα 3.1 Αεριοστρόβιλος της General Electric. Τοµές του αεριοστροβίλου PG 9351 FA της General Electric. ιακρίνονται από αριστερά, η εισαγωγή αέρα και η ϐαλβίδα IGV, ο συµπιεστής, οι υποδοχές των ϑαλάµων καύσης, οι ϐαθµίδες του στροβίλου και η εξαγωγή καυσαερίων του. Κάτω, ο αεριοστρόβιλος στην ϕάση εγκατάστασης, στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ.. Το συνολικό ϐάρος των δυο αξόνων (στροβίλου-γεννήτριας), όπως εγκαταστάθηκε στον σταθµό είναι περίπου 204 τόνοι. 69

70 3.2 Το σύστηµα εκκίνησης της General Electric Η General Electric συνοδεύει τους στροβίλους της µε ένα ολοκληρωµένο σύστη- µα εκκίνησης, το οποίο συνεργάζεται διαρκώς µε το Speedtronic και το σύστηµα διέγερσης EX2100. Το σύστηµα εκκίνησης είναι ικανό να ϕέρει τον στρόβιλο σε ταχύτητες ως και 90% της ονοµαστικής, από ϑέση πλήρους ακινησίας. Το ίδιο σύστηµα χρησιµοποιείται και για την διαδικασία πλύσης και περιστροφής, µετά την παύση λειτουργίας. Το σύστηµα αποτελείται από τα εξής στοιχεία [7]: - Load Commutated Inverter (LCI), LS Το σύστηµα που χρησιµοποιεί την γεννήτρια ως σύγχρονο κινητήρα, δίνοντας ισχύ στον στάτη της και διέγερση στο δροµέα της. Η αρχή λειτουργίας ϐασίζεται στην ϑεωρία των αντιστροφέων (inverters) - µεταβάλλοντας την συχνότητα της τάσης στον στάτη µεταβάλλεται αντίστοιχα η ταχύτητα περιστροφής του δροµέα. - Μετασχηµατιστής αποµόνωσης, τροφοδοτεί το LCI µέσω 2 δευτ. τυλιγµάτων από τη διανοµή 6.3kV, και λόγω της αντίστασής (6%) του περιορίζει τη µετάδοση σφαλµάτων στη διανοµή. Είναι ξηρού τύπου (cast-resin), συνδεσµολογίας Ddy1, ισχύος 7/3.5/3.5MVA και τάσης 6.3/2.08/2.08kV. - 2 διακόπτες σύνδεσης. Παρέχουν σύνδεση του µετασχηµατιστή στη διανοµή 6.3kV (52SS), και του LCI στο στάτη της γεννήτριας (89SS). - Σύστηµα αρχικής περιστροφής, (Turning gear). Λόγω του ότι το LCI δεν µπορεί να περιστρέψει τον κοινό άξονα από στάση, η General Electric προσθέτει το µηχανισµό αυτό, για την αρχική περιστροφή από 0 ως 7rpm. Ο έλεγχος της διαδικασίας εκκίνησης δίνεται αποκλειστικά από το Speedtronic Αρχική περιστροφή Το σύστηµα αρχικής περιστροφής (Σχ. 3.2) παρέχει την αναγκαία ϱοπή για την περιστροφή του άξονα από στάση, πριν αρχίσει η λειτουργία του LCI 3. Επίσης, χρησιµοποιείται και για την αργή περιστροφή του άξονα µετά την παύση λειτουργίας. Το σύστηµα αποτελείται από έναν επαγωγικό κινητήρα ισχύος 7.5kW/400V και ονοµαστικής ϱοπής 49Nm, µειωτήρα στροφών, αυτόµατο συµπλέκτη και έναν εύκαµπτο άξονα Ϲεύξης µε τον άξονα της γεννήτριας. Το σύστηµα δέχεται λάδι υπό πίεση για την λίπανση του συµπλέκτη και των εδράνων του - η παροχή προέρχεται από το σύστηµα λαδιού του Speedtronic. Η σχεδίαση του συµπλέκτη είναι τέτοια ώστε να 3 Η προσπάθεια του LCI να περιστρέψει τον άξονα από πλήρη ακινησία οδηγεί σε µεγάλα ϱεύµατα εκκίνησης στο στάτη, και υπερβολική ϱοή στο διάκενο. Ετσι, η πρακτική αυτή αποφεύγεται αφού η γεννήτρια λειτουργεί σε αντικανονικές συνθήκες. 70

71 Σχήµα 3.2 Το σύστηµα αρχικής περιστροφής. Το σύστηµα αρχικής περιστροφής, όπως έχει εγκατασταθεί µπροστά από την γεννήτρια (διακρίνεται η παροχή λαδιού). Ανάµεσα στον µηχανισµό και στη γεννήτρια, ϐρίσκεται η σύνδεση της διέγερσης του δροµέα. εµπλέκει και να απεµπλέκει τον µηχανισµό αυτόµατα, µόλις η ταχύτητα πλησιάσει τα 7rpm. Ακόµη, το τµήµα Ϲεύξης του µηχανισµού είναι εύκαµπτο, επιτρέποντας την διαµήκη διαστολή του άξονα της γεννήτριας. Για την λειτουργία του συστήµατος, πρέπει να ϐρίσκεται σε λειτουργία το σύστηµα λαδιού του Speedtronic. Χωρίς αυτό δεν είναι δυνατή η λίπανση των εδράνων του µηχανισµού, αλλά και των εδράνων του κοινού άξονα. Κατά την ενεργοποίηση του µηχανισµού, επιταχύνεται ο άξονας από 0 ως 7rpm. Μόλις ϕτάσει στην ταχύτητα αυτή, ο µηχανισµός απεµπλέκεται, ο κοινός άξονας πε- ϱιστρέφεται µε την κινητική ενέργεια που απέκτησε, και την επιτάχυνση αναλαµβάνει το LCI. Αντίστοιχα κατά την παύση, όταν η ταχύτητα µειωθεί στα 7rpm το σύστηµα εµπλέκεται αυτόµατα και διατηρεί τον άξονα σε αυτήν την ταχύτητα, µέχρι η ϑερµοκρασία στις ϐαθµίδες του στροβίλου να γίνει ίση µε τη ϑερµοκρασία περιβάλλοντος. Η διαδικασία λέγεται cooldown και αποτρέπει την παραµόρφωσή του άξονα (gravity bow) λόγω απότοµης πτώσης της ϑερµοκρασίας του LCI LS 2100 Το σύστηµα LCI LS 2100 της General Electric είναι ένα σύστηµα οδήγησης σύγχρονων AC κινητήρων, σύµφωνα µε τη ϑεωρία των αντιστροφέων µε µετάβαση από το ϕορτίο (load commutation, ανάλυση παρακάτω). Ρυθµίζει την ταχύτητα και τη ϱοπή του κινητήρα µέσω της τάσης που εφαρµόζει στον στάτη. Η ϱύθµιση γίνεται 71

72 µε την µεταβολή στη συχνότητα της τάσης, η οποία αντιστοιχεί και στην γωνιακή ταχύτητα του σύγχρονου κινητήρα. Ταυτόχρονα ϱυθµίζεται και η dc διέγερση στον δροµέα του κινητήρα, σύµφωνα µε την επιθυµητή συµπεριφορά. Για την εκκίνηση στροβιλογεννήτριας, η General Electric χρησιµοποιεί το συγκεκριµένο σύστηµα προκειµένου να επιταχύνει τον κοινό άξονα, και να ϕέρει τη µονάδα σε κατάσταση λειτουργίας. Αυτό επιτυγχάνεται µε τη χρήση της γεννήτριας ως σύγχρονου κινητήρα 4, στην οποία αυξάνεται προοδευτικά η συχνότητα στο στάτη 5. Το ίδιο σύστηµα χρησιµοποιείται για την περιστροφή του άξονα στις λειτουργίες εκκένωσης καυσίµου (purge cycle) και πλύσης του στροβίλου. Το πλεονέκτηµα του LCI είναι η ελευθερία χώρου που παρέχει γύρω από τη γεννήτρια, αφού µπορεί να τοποθετηθεί µακριά από αυτήν. Το ίδιο LCI µπορεί να εκκινήσει πολλές µονάδες διαδοχικά ή ταυτόχρονα, ενώ τα κινούµενα µέρη του είναι ελάχιστα µειώνοντας την συντήρηση που απαιτείται, συγκριτικά µε άλλα συστήµατα εκκίνησης (πχ. diesel, επαγωγικοί κινητήρες). Η κύρια λειτουργία του συστήµατος είναι να προσδώσει κινητική ενέργεια στον κοινό άξονα, ώστε αυτός να διατηρήσει την περιστροφή λόγω στροφορµής και να εδραιωθεί η καύση. Η αποσύνδεση του συστήµατος γίνεται περίπου στο 90% της ονοµαστικής ταχύτητας, όταν η καύση µπορεί πλέον να κινήσει τον στρόβιλο. Το LCI συνεργάζεται µε το Speedtronic για τον κλειστό ϐρόγχο ελέγχου της ταχύτητας. Το Speedtronic παρέχει τις τιµές αναφοράς για την ταχύτητα και τη ϱοπή, καθώς και τις απαιτούµενες µετρήσεις για την ανάδραση, µέσω του διαύλου UDH (Σχ. 3.3). Ο ίδιος δίαυλος χρησιµοποιείται και για τον έλεγχο του συστήµατος διέγερσης EX2100 από το LCI. Μετάβαση ϱεύµατος στα thyristors (commutation) Γενικά, τα thyristors (εδώ, τα SCR 6 ) άγουν από την άνοδο προς την κάθοδο µόλις εφαρµοσθεί ένα µικρό σήµα ελέγχου στην πύλη τους (σήµα έναυσης), για µικρό χρόνο. Ωστόσο, η παύση της αγωγής τους δεν γίνεται µε το σήµα πύλης, αλλά όταν το ϱεύµα ανόδου γίνει αρνητικό (ανάστροφη πόλωση) - µόνο τότε µπορούν να επανενεργοποιηθούν από την πύλη. Αν το ϱεύµα παραµείνει ϑετικό (ορθή πόλωση), η αγωγή συνεχίζεται αδιάκοπα. Γίνεται αντιληπτό πως η µεταβολή της τάσης στα άκρα τους καθορίζει άµεσα την λειτουργία τους. Ειδικότερα, όταν τα thyristor είναι συνδεδεµένα σε σειρά, τα σήµατα έναυσης πρέπει να παρακολουθούν τις µεταβολές της τάσης εισόδου, για µια συγχρονισµένη λειτουργία. Η µετάβαση του ϱεύµατος 4 Κάθε σύγχρονη µηχανή µπορεί άφοβα να χρησιµοποιηθεί είτε ως γεννήτρια είτε ως κινητήρας, µε ελεγχόµενη διέγερση στο δροµέα. 5 Στις σύγχρονες µηχανές, η συχνότητα του πεδίου στον στάτη είναι ίση µε την ταχύτητα περιστρο- ϕής του δροµέα. 6 SCR: Silicon Controlled Rectifier. 72

73 από το ένα thyristor στο άλλο πρέπει να ολοκληρωθεί πριν µηδενιστεί η τάση στα άκρα τους - αλλιώς ϑα σβήσουν. Ετσι, για την ορθή λειτουργία ανόρθωσης, το ϱεύµα πρέπει να καθυστερεί της τάσης, ενώ για την αντιστροφή πρέπει να προηγείται. Η γωνία έναυσης α πρέπει να µικρότερη των 180 o (πρακτικά, περίπου 150 o ). Ο έλεγχος του LCI συγχρονίζει την έναυση των SCR του ανορθωτή (γέφυρα πηγής, Σχ. 3.3) µε την ac τάση εισόδου, και των SCR του αντιστροφέα (γέφυρα ϕορτίου, Σχ. 3.3) µε την ac τάση εξόδου. Ο συγχρονισµός γίνεται µε την µέτρηση των τριφασικών ϱευµάτων, την ολοκλήρωσή τους για την παραγωγή του σήµατος µαγνητικής ϱοής (flux), και την είσοδο αυτού σε κυκλώµατα PLL 7 (Σχ. 3.9). Η µετάβαση του ϱεύµατος από το ένα thyristor στο άλλο µπορεί να είναι ϕυσική ή εξαναγκασµένη. Φυσική είναι όταν η τάση στα άκρα της γέφυρας είναι ικανή να σβήσει τα thyristors, δηλαδή στις περιπτώσεις που ο ανορθωτής οδηγείται από την ac γραµµή εισόδου (line commutation), και ο αντιστροφέας από την ac γραµµή του ϕορτίου (load commutation 8 ). Στη λειτουργία αυτή, ο συντελεστής ισχύος είναι επαγωγικός. Οταν όµως στο ϕορτίο, η τάση δεν είναι ικανή να σβήσει τα thyristors στον αντιστροφέα (παρατηρείται στην αρχή της λειτουργίας, για ταχύτητες <10%), τότε η µετάβαση είναι εξαναγκασµένη - ο ανορθωτής χρησιµοποιείται σε λειτουργία αντιστροφέα και µηδενίζει το dc ϱεύµα του πηνίου, επιβάλλοντας τη σβέση των thyristors. Στη λειτουργία αυτή, ο συντελεστής ισχύος είναι περίπου ίσος µε τη µονάδα, για µέγιστη ϱοπή (Σχ. 3.12). Η εξαναγκασµένη µετάβαση του αντιστροφέα συνεχί- Ϲεται, ώσπου να αναπτυχθεί ικανή αντιηλεκτρεγερτική δύναµη στη µηχανή, και η µετάβαση να γίνει ϕυσική. Υλικό Το σύστηµα αποτελείται από τις 2 γέφυρες µετατροπής, τις διατάξεις ϕίλτρων, το σύστηµα ελέγχου και το αυτόνοµο σύστηµα ψύξης. Η συνολική ισχύς του συστήµατος όπως έχει εγκατασταθεί στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ. είναι 14MVA. Το κύριο τµήµα του LCI είναι οι δύο γέφυρες µετατροπής που συνδέονται µέσω ενός πηνίου εξοµάλυνσης. Οι γέφυρες πηγής και ϕορτίου αποτελούνται από στοιχεία SCR των 77mm/6500V µε ψηφιακά ελεγχόµενο ϱεύµα πύλης, και η λειτουργία τους είναι 12 παλµών. Η γέφυρα πηγής (Σχ. 3.4) λειτουργεί ως ανορθωτής (rectifier), και ελέγχεται έτσι ώστε να ανορθώνει το ac ϱεύµα εισόδου, και να δίνει µεταβαλλόµενο dc ϱεύµα στην 7 PLL: Phase-Locked Loop. Παρακολουθώντας τους µηδενισµούς της µαγν. ϱοής, ο Βρόγχος Κλειδωµένης Φάσης παράγει το σφάλµα ϕάσης, και σύµφωνα µε αυτό διορθώνει τις γωνίες έναυσης στις γέφυρες. Ετσι, η λειτουργία τους κρατείται συγχρονισµένη µε τις τάσεις εισόδου και εξόδου. 8 Αυτό γίνεται, λόγω του ότι κατά την περιστροφή του διεγειρόµενου δροµέα, επάγεται στο στάτη µια αντιηλεκτρεγερτική δύναµη (ΑΗΕ ), ανάλογη της ταχύτητας και της ϱοής στη µηχανή. Αυτή η δύναµη χρησιµοποιείται για την σβέση των thyristors στη λειτουργία µετάβασης από ϕορτίο. 73

74 Σχήµα 3.3 Μονογραµµικό διάγραµµα του LCI. Σχήµα 3.4 Οι γέφυρες πηγής και ϕορτίου του LCI. Αριστερά, η γέφυρα πηγής στην κατασκευή του LCI. ιακρίνονται τα SCR συνδεδεµένα στη σειρά, καθώς και οι αγωγοί έναυσης στις πύλες τους. Ανάµεσά στα SCR είναι τοποθετηµένες οι ψύκτρες και οι σωληνώσεις διασύνδεσής τους που κυκλοφορούν το ψυκτικό υγρό. εξιά, η γέφυρα ϕορτίου µε εµφανώς λιγότερα SCR. γέφυρα ϕορτίου. Η σχεδίαση της γέφυρας είναι τέτοια, που µπορεί να ϑεωρηθεί ως δύο ανορθωτικές διατάξεις µε ξεχωριστή τροφοδοσία, σε σύνδεση σειράς. Η ισχύς για την ανόρθωση παρέχεται από τα 2 δευτερεύοντα τυλίγµατα του µετασχηµατιστή αποµόνωσης. Η τάση κάθε τυλίγµατος είναι ϱυθµισµένη στο µισό της τάσης της γέ- ϕυρας ϕορτίου, δηλ. στα 2080Vac. Λόγω της διάταξης των τυλιγµάτων ( -Υ), οι δυο τάσεις τροφοδοσίας διαφέρουν κατά 30 o. Αυτό µειώνει περίπου κατά 50% τις αρµονικές που παράγει η συνολική διάταξη (κυρίως την 5η και 7η). Στη γέφυρα πηγής, η µετάβαση του ϱεύµατος στα SCR και η σβέση τους γίνεται πάντα υποβοηθούµενη από την ac τάση εισόδου (line-commutated). Η γέφυρα ϕορτίου λειτουργεί ως αντιστροφέας (inverter), έτσι ώστε στην έξοδο να παράγεται τάση ac µε την επιθυµητή συχνότητα. Με αυτήν την τάση τροφοδοτείται η γεννήτρια και επιταχύνεται ο κοινός άξονας, ακολουθώντας την µεταβολή συχνότητας. Η µετάδοση των σηµάτων έναυσης στα SCR από τον επεξεργαστή γίνε- 74

75 Σχήµα 3.5 Το πηνίο εξοµάλυνσης που συνδέει τις 2 γέφυρες. ιακρίνονται τα καλώδια σύνδεσης του πηνίου µε τις γέφυρες. Η κατασκευή ϐρίσκεται τοποθετηµένη εκτός του χώρου του LCI. ται µέσω οπτικής ίνας. Το ϱεύµα εξόδου της ανιχνεύεται από 2 αισθητήρες Hall στις ϕάσεις A,C (η ϕάση Β υπολογίζεται). Στη γέφυρα ϕορτίου, η µετάβαση του ϱεύµατος στα SCR υποβοηθείται είτε από την τάση ϕορτίου (load-commutated), είτε είναι εξαναγκασµένη (force-commutated) µε υποβοήθηση από τη γέφυρα πηγής. Η επιλογή λειτουργίας γίνεται σύµφωνα µε την ταχύτητα και τη ϱοή του κινητήρα, από τον έλεγχο του LCI. Η General Electric προσθέτει ένα πηνίο ανάµεσα στις δυο γέφυρες, προκειµένου να εξοµαλυνθεί η dc κυµατοµορφή που προκύπτει από την ανόρθωση των 2 τριφασικών τάσεων στην γέφυρα εισόδου (Σχ. 3.5). Ο πυρήνας του είναι κενός (air coil), ενώ η αυτεπαγωγή του είναι 11.5mH/750A. Λόγω του πηνίου, η είσοδος στη γέφυρα ϕορτίου εµφανίζεται ως πηγή ϱεύµατος, ενώ µειώνονται ακόµη περισσότερο και οι αρµονικές. Κάθε γέφυρα έχει RC ϕίλτρα σε κάθε ϕάση για την προστασία των SCR από αιχ- µές τάσης, καθώς και ψηφιακά ελεγχόµενες ασφάλειες. Επίσης παρέχεται προστασία υπέρτασης µε στοιχεία MOV 9. Η σύνδεση της γέφυρας ϕορτίου στον στάτη της γεννήτριας γίνεται µέσω του διακόπτη 89SS (τριπολικός, µαχαιρωτός, 2000Α/25kV), ο οποίος ελέγχεται από το Speedtronic (Σχ. 3.6). Τα στοιχεία του καθορίζονται από την τάση της γεννήτριας και το ϱεύµα πλήρους ϕορτίου του LCI. Το Speedtronic παρέχει ψηφιακή λογική που εµποδίζει την λειτουργία του 89SS όταν είναι κλειστός ο διακόπτης γεννήτριας 9 MOV: Metal Oxide Varistor. 75

76 Σχήµα 3.6 Οι διακόπτες 89SS (αριστερά) και 89ND (δεξιά). 52G και αντίστροφα, ώστε να αποκλείεται η ϐραχυκύκλωση του LCI µε το δίκτυο. Επίσης, το Speedtronic χειρίζεται και τον διακόπτη 89ND (µονοπολικός, µαχαιρωτός, 1200Α), που γειώνει τον ουδέτερο κόµβο της γεννήτριας (µέθοδος προστασίας, ανάλυση στο Κεφ.5). Τέλος, παρεµβάλλεται ο διακόπτης 52SS στη σύνδεση του µετασχηµατιστή αποµόνωσης στη διανοµή των 6.3kV, µε χειρισµό από το DCS ή το LCI. Η εφαρµογή του LCI εκτελείται στο σύστηµα ελέγχου του. Η κύρια µονάδα είναι ο επεξεργαστής UCVE (όµοιος µε αυτόν του Speedtronic), και ελέγχει τις γέφυρες µέσω 3 µονάδων που εκτελούν την µετατροπή D/A και την ενίσχυση των παλµών έναυσης των SCR. Η επικοινωνία µε το Speedtronic και το EX γίνεται µέσω της µονάδας UCVE και του διαύλου UDH. Η General Electric ενσωµατώνει ένα σύστηµα ψύξης µε ξεχωριστή µονάδα ε- λέγχου, για την απαγωγή ϑερµότητας από τις γέφυρες µετατροπής, τα ϕίλτρα και τις αντιστάσεις ισχύος του LCI. Το σύστηµα είναι ένα κλειστό κύκλωµα που µεταφέρει την ϑερµότητα από τις ψύκτρες των SCR σε εξωτερικό εναλλάκτη. Για την κυκλοφο- ϱία διατίθεται δεξαµενή ψυκτικού, 2 αντλίες, καθώς και σύστηµα απιονισµού που ελέγχει την αγωγιµότητα του ψυκτικού (Σχ. 3.7). Το LCI έχει εσωτερικό σύστηµα προστασίας που λειτουργεί σύµφωνα µε τη ϕιλοσοφία προστασίας του Speedtronic. Αυτό σηµαίνει πως ενεργοποιεί εξωτερικές προστασίες µόνο όταν υπάρξει αστοχία κύριου τµήµατός του. Με τον τρόπο αυτό, µπορεί να διορθώνει εσωτερικά σφάλµατα ή να εκκινεί διαδικασία παύσης, χωρίς να παρεµβαίνει η προστασία της µονάδας. Επίσης, το σύστηµα εκτελεί συνεχώς διαγνωστικούς ελέγχους, δίνοντας προειδοποίηση στο χειριστή µέσω του HMI ή του DCS. Σε σηµαντικά σφάλµατα εκκινεί διαδικασία παύσης του LCI (shutdown). Οι προστασίες που περιλαµβάνει είναι: - υπερρεύµα, - διαφορική προστασία γέφυρας, 76

77 Σχήµα 3.7 Το σύστηµα κυκλοφορίας ψυκτικού του LCI. Αριστερά, το σύστηµα κυκλοφορίας του ψυκτικού. Επάνω το δοχείο αποθήκευσης, κάτω του ο απιονιστής, και δεξιά οι δύο αντλίες κυκλοφορίας. Στο κάτω µέρος, διακρίνεται το δικτύωµα ϱύθµισης της ϑερµοκρασίας του ψυκτικού στους 80 o F. εξιά, λεπτοµέρεια των SCR µε τις ψύκτρες τους. - υπέρταση γεννήτριας, - υπέρταση-υπόταση γέφυρας πηγής, - σφάλµα γείωσης, - υπερθέρµανση-υψηλή αγωγιµότητα ψυκτικού, - ϐραχυκύκλωση SCR, - απώλεια διέγερσης στη γεννήτρια. Λογισµικό - εφαρµογές Ο έλεγχος που εκτελεί το LCI δίνεται στα Σχ. 3.8, 3.9. Η εφαρµογή συντίθεται από ϐιβλιοθήκες και τµήµατα εκτέλεσης των διάφορων εφαρµογών της General Electric. Η ϱύθµιση της εφαρµογής (τιµές, κέρδη) µπορεί να γίνει ακόµη και όταν το σύστηµα είναι σε λειτουργία. Οι έλεγχοι που εκτελούνται περιέχουν: - έλεγχο µετάβασης commutation, - έλεγχο ϱεύµατος, - έλεγχο ταχύτητας, - έλεγχο µαγνητικής ϱοής (flux, V/Hz), - προστασία συστήµατος, - παρακολούθηση και καταγραφή λειτουργίας. 77

78 Σχήµα 3.8 Παρακολούθηση του LCI από την εφαρµογή Cimplicity. 78

79 79 Σχήµα 3.9 Ο κλειστός ϐρόγχος ελέγχου ταχύτητας, ϱοπής και ϱοής.

80 Σχήµα 3.10 Η µεταβολή της ταχύτητας άξονα, στην ακολουθία εκκίνησης. Στο διάγραµµα ϕαίνεται η σχέση της ταχύτητας του άξονα µε τον χρόνο. Το LCI ενεργοποιείται στα 7rpm, µε την προϋπόθεση ότι υπάρχει διέγερση. Στο πρώτο στάδιο, επιταχύνει τον άξονα στο 23% της µέγιστης ταχύτητας και τον διατηρεί στην κατάσταση αυτή για περίπου 11 λεπτά. Στο διάστηµα αυτό εκκενώνεται η διαδροµή του αερίου στον στρόβιλο από παραµένοντα στοιχεία των προηγούµενων καύσεων (purge cycle). Το LCI περιστρέφει τον άξονα, δηµιουργώντας ϱοή αέρα από τον συµπιεστή προς την έξοδο καυσαερίων. Στη συνέχεια απενεργοποιείται και η ταχύτητα πέφτει στο 14.5% (coast down), όπου γίνεται η εισαγωγή καυσίµου και ανάφλεξη. Αν είναι επιτυχής, το LCI επανενεργοποιείται και διατηρεί την ταχύτητα στο 14.5%, ώστε να προθερµανθεί ο στρόβιλος, ελαχιστοποιώντας την ϑερµική καταπόνηση. Στην διάρκεια αυτή, υπάρχει καύση µείγµατος αλλά η ϱοπή παρέχεται από το LCI. Στο τέλος του κύκλου προθέρµανσης, η ταχύτητα αναφοράς ϱυθµίζεται από το Speedtronic στο 100% και το σύστηµα επιταχύνει τον άξονα. Οταν ϕτάσει σε σηµείο όπου η ταχύτητα µπορεί να διατη- ϱηθεί λόγω στροφορµής και καύσης (90%), το LCI αποσυνδέεται από τη γεννήτρια. Η συγκεκριµένη ακολουθία αναλύεται στο Παράρτηµα 2. Ακολουθία εκκίνησης Στο Σχ δίνεται η τυπική ακολουθία εκκίνησης, µε την ταχύτητα του άξονα όπως ϱυθµίζεται από το LCI. Παράλληλα δίνονται οι τιµές της µεταβλητής FSR, σύµφωνα µε το Σχ στο Κεφ.2. Η σύγκριση των δυο διαγραµµάτων δείχνει πως στην εκκίνηση η παροχή καυσίµου µπορεί να µεταβάλλεται οµαλοποιώντας την καύση, αλλά η ϱοπή δίνεται από το LCI ως το 90% της ταχύτητας. Το ίδιο συµπέρασµα παρουσιάζεται και στο Σχ. 8 στο Παράρτηµα 2. Σχέση ϱοπής-ταχύτητας, έλεγχος ϱοπής Στο Σχ δίνεται ένα τυπικό διάγραµµα της µεταβολής της ϱοπής του άξονα σε σχέση µε την ταχύτητά του. Από το διάγραµµα, ορίζεται το µέγεθος της ϱοπής επιτάχυνσης - είναι η διαφορά της ϱοπής που παρέχει η γεννήτρια (σε λειτουργία κινητήρα) και της ϱοπής που αποκτά ο άξονας. Η ϱοπή επιτάχυνσης και η τιµή 80

81 Σχήµα 3.11 Η σχέση ϱοπής-ταχύτητας άξονα στην ακολουθία εκκίνησης. Στο διάγραµµα ϕαίνεται η µεταβολή της ϱοπής στα στάδια της εκκίνησης. Μέχρι το 70% της ταχύτητας, η κίνηση διατηρείται από το LCI, παρόλο που υπάρχει καύση και η ποσότητα καυσίµου (FSR) αυξάνεται συνεχώς. αδράνειας του άξονα δίνουν το ϱυθµό επιτάχυνσής του - όσο µεγαλύτερη είναι η ϱοπή επ., τόσο γρηγορότερα επιταχύνεται ο άξονας. Ο ϱόλος του LCI είναι να µεταβάλλει την ϱοπή επιτάχυνσης ως το σηµείο που η κίνηση ϑα διατηρηθεί λόγω στροφορµής. Οταν η ταχύτητα πλησιάσει το 90%, η ϱοπή του άξονα έχει αυξηθεί ώστε να διατηρεί την κίνηση. Από το Σχ. 3.9, το σήµα αναφοράς της ταχύτητας συγκρίνεται µε την ανάδραση ταχύτητας, όπως προκύπτει από την ολοκλήρωση της τάσης της µηχανής. Το σφάλµα ϑέσης που προκύπτει εισάγεται στον ϱυθµιστή ταχύτητας και αποτελεί την εντολή ϱοπής. Η εντολή αυτή εφαρµόζεται και στις 2 γέφυρες µε το σήµα ϱεύµατος. Αυτό διότι, η ϱοπή της µηχανής είναι συνάρτηση της ϱοής, του ϱεύµατος και της µεταξύ τους γωνίας, µπορεί να ελεγχθεί: - είτε µε ϱύθµιση στο πλάτος του ϱεύµατος στον στάτη, από τη γέφυρα πηγής µε σταθερή γωνία έναυσης α, - είτε µε ϱύθµιση στη γωνία έναυσης α και διατηρώντας σταθερό ϱεύµα από τη γέφυρα ϕορτίου. Ωστόσο, στην ίδια χρονική στιγµή µόνο µια ϱύθµιση µπορεί να ελέγξει τη ϱοπή. Ετσι, η γέφυρα πηγής ελέγχει το πλάτος του ϱεύµατος, ενώ η γέφυρα ϕορτίου ελέγχει την γωνία του. Σχέση τάσης-ϱοής-ταχύτητας Αν και η γεννήτρια µπορεί να λειτουργήσει ως κινητήρας, πρέπει να χειρισθεί προσεκτικά και µε ασφαλή τρόπο. Το LCI µεταβάλλει τα µεγέθη της µε τρόπο που ακολουθεί τους κανόνες προστασίας της. Ιδιαίτερο ϱόλο παίζει το µέγεθος της µα- 81

82 Σχήµα 3.12 Ο λόγος V/Hz στην ακολουθία εκκίνησης. γνητικής ϱοής της που αυξοµειώνεται συνεχώς µέσω διέγερσης και ταχύτητας 10. Το µέγεθος που αντιπροσωπεύει την µαγνητική ϱοή είναι η µονάδα V/Hz, η οποία πα- ϱακολουθείται συνεχώς από το LCI. Κατά την εκκίνηση, το LCI αυξάνει γραµµικά την τάση στον στάτη από 0 ως 4160Vac και µεταβάλλει τη διέγερση στο δροµέα, µέχρι το 40% της ταχύτητας. Με τον τρόπο αυτό, ο λόγος V/Hz παραµένει στην ασφαλή περιοχή του 1pu. Πάνω από την ταχύτητα του 40%, το LCI κρατά σταθερή την τάση και αφού η ταχύτητα συνεχίζει να αυξάνεται, ο λόγος V/Hz µειώνεται εκθετικά (Σχ. 3.12). 10 Οι κίνδυνοι που µπορούν να προκύψουν από υπερβολικές τιµές της µαγνητικής ϱοής αναλύονται στην προστασία υπερδιέγερσης, στο Κεφ.5. 82

83 Σχήµα 3.13 Μετρήσεις των µεγεθών του LCI σε µια εκκίνηση στο σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ.. 83 Αριστερά από επάνω, η τιµή αναφοράς της ταχύτητας που δίνει το Speedtronic προς το LCI, η µετρούµενη ταχύτητα που τελικά επιτυγχάνεται, το ϱεύµα του πηνίου εξοµάλυνσης, και η τιµή αναφοράς της τάσης διέγερσης που δίνει το LCI προς το EX. εξιά, η τάση µιας ϕάσης που δίνει το LCI στους πόλους της γεννήτριας, το ϱεύµα της ϕάσης, και η µαγνητική ϱοή (V/Hz). ιακρίνεται η κυµάτωση του ϱεύµατος πηνίου ως αποτέλεσµα της ανόρθωσης, η µείωση της διέγερσης στο σηµείο που η ταχύτητα του άξονα πλησιάζει το 50%, και η αντίστοιχη µείωση του λόγου V/Hz.

84 Πίνακας 3.1: Ενδεικτικά µεγέθη εκκίνησης του σταθµού ΕΝ.ΘΕΣ.. ιάρκεια Ταχύτητα LCI Plant (min) (%) (KWh) (MVA) Στάση Στάση προς εκκένωση 0 2 (2) 0 23% Εκκένωση 2 13 (11) 23% Εκκένωση προς ανάφλεξη (1) % (coast-down) Ανάφλεξη, προθέρµανση (1) 14.5% Προθέρµανση προς ταχ. 80% (5) % FSNL (3) % Σύνολο 1404KWh Απόδοση συστήµατος Λόγω της ιδιαιτερότητας του συστήµατος, παρουσιάζεται ενδεικτικά η απόδοσή του. Τα µεγέθη που δίνονται είναι αυτά που διαµορφώθηκαν κατά την περίοδο δοκιµαστικής λειτουργίας του σταθµού ΕΝ.ΘΕΣ., χωρίς µεγάλες αποκλίσεις από τις τελικές τιµές τους. Κόστος εκκίνησης Οπως έχει αναφερθεί, το µεγαλύτερο πλεονέκτηµα των µονάδων συνδυασµένου κύκλου είναι ο µικρός χρόνος εκκίνησης. Ειδικότερα, το σύστηµα της General Electric επιτυγχάνει ονοµαστική ταχύτητα (FSNL) σε 25 περίπου λεπτά. Από την άλλη πλευρά, καταναλώνει σηµαντική ισχύ για τις ανάγκες του LCI, µε αιχµή περίπου 11MW για 2 λεπτά. Ταυτόχρονα, τα περιφερειακά συστήµατα του σταθµού καταναλώνουν σταθερά 3MW. Αυτό αναγκαστικά αφαιρεί από το σταθµό την δυνατότητα του black-start. Άλλωστε, ο σταθµός δεν έχει σχεδιασθεί για τέτοια λειτουργία, έχει όµως τη δυνατότητα ικανοποίησης αυτής της ανάγκης. Στο συνολικό χρόνο εκκίνησης του σταθµού ο αεριοστρόβιλος δεν παίζει ϱόλο, αφού ο χρόνος εκκίνησής του είναι πάντα σταθερός. Αντίθετα, η κατάσταση του ατµοστροβίλου (ψυχρή-ϑερµή) καθορίζει άµεσα το χρόνο που χρειάζεται ο σταθµός για να ϕτάσει το ϕορτίο ϐάσης του (385MW). Βέβαια, ο συνολικός αριθµός εκκινήσεων του αεριοστροβίλου (72 ανά έτος) έχει σηµαντικό αντίκτυπο στην διάρκεια Ϲωής του και στη συχνότητα των συντηρήσεών του. Στον Πίν. 3.1, παρουσιάζονται τα σηµαντικότερα µεγέθη της εκκίνησης στα διαδοχικά της στάδια. Σχετικά µε το κόστος, δίνεται η κατανάλωση του συνόλου της General Electric, καθώς και η κατανάλωση του σταθµού. Το συνολικό κόστος από 84

85 Πίνακας 3.2: Η ανάλυση της General Electric για τις αρµονικές του LCI. Bus short Ρεύµα Αντίσταση 15 o Voltage 15 o Current circuit (MVA) ϐραχ. (ka) ϐραχ. (%) THD (%) THD (%) Προτεινόµενο: Ελάχιστο: max 7.5 max 12 IEEE 5% THD: ! IEEE 7.5% THD: ! max 7.5 max 7.5 στάση ως την κατάσταση FSNL (περίπου 25min) εκτιµάται στα 1.020e, µε τιµή αγοράς MWh στα 45e, και τιµή αγοράς αερίου (Nm 3 ) στα 0.23e. Το συνολικό κόστος ψυχρής εκκίνησης του σταθµού ως την επίτευξη ϕορτίου ϐάσης εκτιµάται στα e. Ανάλυση αρµονικών Το LCI, ως αντιστροφέας που λειτουργεί µε µεταβαλλόµενες γωνίες έναυσης δη- µιουργεί αρµονικές σηµαντικής ισχύος, που εισχωρούν στο δίκτυο µέσω της γραµ- µής των 6.3kV. Αυτό είναι ανεπιθύµητο, αφού δηµιουργεί πρόβληµα στο δίκτυο και στον σταθµό, ιδιαίτερα στις ac αντλίες ελεγχόµενης ταχύτητας. Η General Electric συνοδεύει το σύστηµα µε µια ολοκληρωµένη ανάλυση αρµονικών, που δείχνει ότι η ολική αρµονική παραµόρφωση (THD%) παραµένει µέσα στα όρια του κανονισµού IEEE Προκειµένου να διατηρήσει χαµηλά την ισχύ των αρµονικών όταν απαιτείται µέγιστο ϱεύµα, ο αντιστροφέας κρατά την γωνία έναυσης χαµηλά, στις 15 o. Τα στοιχεία της ανάλυσης δίνονται στον Πίν.3.2 (λειτουργία σε τάση 6.3kV, µέγιστες τιµές αντιστροφέα 1500A/4160V). 3.3 οκιµές Σταθµού και συµµόρφωση µε τον Κώδικα ιαχείρισης Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα της δοκιµαστικής λειτουργίας του σταθµού ΕΝ.ΘΕΣ. που έγιναν στην περίοδο αξιολόγησής του. Ειδικότερα, παρουσιάζονται οι δοκιµές εκείνες που αφορούν την εκκίνηση του σταθµού, και αποδεικνύουν την συµµόρφωση της λειτουργίας στα άρθρα του Κώδικα ιαχείρισης και Συναλλαγών [10]. 85

86 3.3.1 Χρόνοι εκκίνησης Η εκκίνηση του σταθµού ΕΝ.ΘΕΣ. διακρίνεται σε ψυχρή, ενδιάµεση και ϑερ- µή. Η διάκριση αυτή αφορά αποκλειστικά την κατάσταση του ατµοστρόβιλου και του κύκλου ατµού, ενώ δεν σχετίζεται µε τον αεριοστρόβιλο. Αυτό διότι, η εκκίνησή του είναι πάντα ίδιας χρονικής διάρκειας (25min) ανεξαρτήτως της προηγούµενης κατάστασής του. Ωστόσο, αναλύονται οι εκκινήσεις του σταθµού και παρατίθενται τα διαγράµµατα για καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας. Σύµφωνα µε τον κατασκευαστή [8], η διάκριση των εκκινήσεων γίνεται ως εξής: Θερµοκρασία στην Πίεση στο Συνολικός πρώτη ϐαθµίδα του τύµπανο HP χρόνος ιάγραµµα ατµοστροβίλου του λέβητα Θερµή Τ > 450 o C P > 60barg max. 120min Σχ Ενδιάµεση 160 < Τ < 450 o C 4 < P < 60barg max. 200min Σχ Ψυχρή Τ < 160 o C - max. 270min Σχ Σε όλες τις εκκινήσεις, µετράται ο χρόνος από την εντολή εκκίνησης ως την επίτευξη ϕορτίου ϐάσης, ενώ ο αεριοστρόβιλος περιστρέφεται από τον µηχανισµό αρχικής περιστροφής (turning gear). Η διάταξη του Κώδικα ιαχείρισης που αφορά τους χρόνους εκκίνησης των σταθ- µών συνδυασµένου κύκλου είναι η εξής: Αρθρο 275, παρ.7: Για τις µονάδες συνδυασµένου κύκλου πρέπει να ισχύουν τα εξής: Χρόνος εκκίνησης Χρόνος από συγχρονισµό ως την ελάχιστη παραγωγή από ϑερµή κατάσταση < 3hr από ενδιάµεση κατάσταση < 8hr από ψυχρή κατάσταση < 12hr από ϑερµή κατάσταση < 40min από ενδιάµεση κατάσταση < 90min από ψυχρή κατάσταση < 180min 86

87 87 Σχήµα 3.14 ιάγραµµα ϑερµής εκκίνησης σταθµού (hot start).

88 88 Σχήµα 3.15 ιάγραµµα ενδιάµεσης εκκίνησης σταθµού (warm start).

89 89 Σχήµα 3.16 ιάγραµµα ψυχρής εκκίνησης σταθµού (cold start).

90 ιαπιστώνεται ότι οι χρόνοι εκκίνησης που επιτυγχάνει ο σταθµός είναι αρκετά µικρότεροι από τα όρια που επιβάλλει ο Κώδικας ιαχείρισης ιαταραχές τάσης/ρεύµατος και ποιότητα ισχύος Λόγω της ιδιαιτερότητας του συστήµατος εκκίνησης του αεριοστροβίλου είναι αναγκαίο να δειχθεί η συµβατότητά του ως προς τις αρµονικές που εισάγει στο δίκτυο. Αυτό παρέχεται από την General Electric, αφού συνοδεύει το LCI µε µια ανάλυση ως προς το πρότυπο IEEE Ωστόσο, ο Κώδικας ιαχείρισης απαιτεί συµβατότητα µε διαφορετικά πρότυπα, όπως ϕαίνεται στο παρακάτω άρθρο του: Αρθρο 276, παρ.17: Οι χρήστες διασφαλίζουν ότι η σύνδεσή τους µε το σύστηµα δεν προκαλεί διαταραχή ή διακύµανση της τάσης παροχής στο σηµείο σύνδεσης. Τα όρια διαταραχής ή διακύµανσης καθορίζονται στα IEC/ (αρµονικές) και IEC/ (διακυµάνσεις τάσης). Οι χρήστες οφείλουν να λειτουργούν τις εγκαταστάσεις τους κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να µην παραβιάζονται οι προδιαγραφές του κανονισµού CE- NELEC EN (ποιότητα ισχύος σε δίκτυα διανοµής). Σχετικά µε το πρότυπο IEC/ , δεν αναµένονται συνθήκες λειτουργίας που ϑα οδηγήσουν σε διακυµάνσεις τάσης στο σηµείο σύνδεσης. Η µοναδική περίπτωση είναι ο συγχρονισµός των 2 γεννητριών, που λόγω της υψηλής τεχνολογίας των συστηµάτων τους δεν εµφανίζουν αξιοσηµείωτες διακυµάνσεις. Σχετικά µε το πρότυπο CENELEC EN 50160, δεν υπάρχουν σηµεία αναφοράς σε αυτό, αφού ο σταθµός συνδέεται στο δίκτυο υπερυψηλής τάσης. Η µόνη ανάλυση που απαιτείται είναι η ανάλυση αρµονικών σύµφωνα µε το πρότυπο IEC/ Για τον προσδιορισµό της συνολικής αρµονικής παρα- µόρφωσης (THD) απαιτείται µοντελοποίηση του σταθµού σε συνθήκες εκκίνησης, έχοντας ως δεδοµένο το ϕάσµα ϱεύµατος του LCI. Το µοντέλο δίνεται στο Σχ. 3.17, µε τις γεννήτριες αποσυνδεδεµένες (συνθήκες εκκίνησης), τον µετασχηµατιστή ανύψωσης, την ιδιοκατανάλωση του σταθµού (12MW, cos φ =0.9επ.), και το LCI ως την κύρια πηγή αρµονικών. Αφού η ισχύς ϐραχυκύκλωσης του δικτύου είναι άγνωστη προσοµοιώνονται δυο ακραίες περιπτώσεις, για S cc1 =10 GVA και για S cc2 =1 GVA. Οι αρµονικές για τις δυο περιπτώσεις δίνονται στο Σχ. 3.18, ενώ η συνολική αρµονική παραµόρφωση (THD) τάσης και ϱεύµατος δίνεται στον Πίν Συµπεραίνεται ότι η παραµόρφωση τάσης δεν παίζει σηµαντικό ϱόλο για καµία από τις δυο περιπτώσεις. Η µόνη αξιοσηµείωτη περίπτωση είναι οι αρµονικές ϱεύµα- 90

91 Σχήµα 3.17 Μοντελοποίηση σταθµού (συνθήκες εκκίνησης) για τον υπολογισµό αρµονικών. Πίνακας 3.3: Συνολική αρµονική παραµόρφωση (V,I) µοντέλου σταθµού κατά την εκκίνηση. S cc1 = S cc2 = Οριο Οριο 10 GVA 1 GVA IEEE IEC THD (V) 0.05% 0.47% 1.5% 3.0% THD (I) 1.87% 1.82% 3.75% - 91

92 Σχήµα 3.18 Αρµονικές ϱεύµατος για τις δυο περιπτώσεις προσοµοίωσης. Τα δυο πρώτα σχήµατα δίνουν τα επίπεδα αρµονικών στην πλευρά 400kV του µετασχηµατιστή ανύψωσης και του διακόπτη σύνδεσης στο δίκτυο (PCC) για την πρώτη περίπτωση ϐραχυκύκλωσης (10 GVA), και αντίστοιχα τα δύο τελευταία σχήµατα για την δεύτερη περίπτωση (1 GVA). 92

93 τος (11η και 13η τάξη) που πλησιάζουν αρκετά στα όρια του προτύπου IEEE , η συµµόρφωση µε το οποίο όµως δεν είναι απαίτηση του Κώδικα ιαχείρισης. 93

94 94

95 Κεφάλαιο 4 Ευστάθεια ηλεκτρικών δικτύων 4.1 Εισαγωγή Ευστάθεια (stability) ενός συστήµατος είναι η ικανότητά του να επιστρέφει σε κανονική κατάσταση λειτουργίας µετά από την εκδήλωση διαταραχών και µεταβατικών ϕαινόµενων. Ειδικότερα, στα Συστήµατα Ηλεκτρικής Ενέργειας (Σ.Η.Ε.) ενδιαφέρει η ευστάθεια των µηχανών του συστήµατος και των γραµµών µεταφοράς του δικτύου, έπειτα από την εµφάνιση διαταραχών. Αυτός είναι ο λόγος, για τον οποίο τα ΣΗΕ εµ- ϕανίζουν έντονα µη γραµµική συµπεριφορά, ενώ πρέπει να λειτουργούν αδιάλειπτα σε ένα συνεχώς µεταβαλλόµενο περιβάλλον. Η ευστάθεια τους εξαρτάται άµεσα από τις αρχικές συνθήκες λειτουργίας, αλλά και την ϕύση των διαταραχών (Σχ. 4.1). Στην συνήθη λειτουργία των ηλεκτρικών δικτύων, διαταραχές µικρού πλάτους εµφανίζονται συχνά ως αποτέλεσµα των ϱυθµίσεων ισχύος στις µονάδες, λόγω χει- ϱισµού διακοπτών ή και λόγω αυξοµειώσεων στην Ϲήτηση ενέργειας. εν ισχύει το ίδιο, όµως, για διαταραχές µεγαλύτερου πλάτους (απώλειες µονάδων ή γραµµών), που ϕέρνουν το σύστηµα σε οριακή λειτουργία µέσα σε ελάχιστο χρόνο. Το σύστηµα πρέπει να αποσβένει ταχύτατα τα ϕαινόµενα αυτά 1, κάτι που επιτυγχάνεται µέσω σχεδιασµού και προγραµµατισµού της παραγωγής και των δικτύων µεταφοράς. Βέβαια, στο σχεδιασµό συστηµάτων προτιµάται ο ϐέλτιστος χαρακτήρας, που είναι ευσταθής στις περισσότερες διαταραχές. Ενα χαρακτηριστικό λειτουργικό µέγεθος των σύγχρονων µηχανών είναι η γωνία ϕόρτισης δ (load angle, Σχ. 4.2), η οποία ορίζεται ως η ηλεκτρική γωνία µετατόπισης του µαγνητικού άξονα του δροµέα από την εν κενώ, στην υπό ϕορτίο λειτουργία της µηχανής [3]. Μια άλλη ερµηνεία της γωνίας ϕόρτισης, είναι ότι αντιστοιχεί στην γεω- µετρική γωνία µεταξύ του δροµέα και του συνεχώς στρεφόµενου πεδίου του στάτη. Σε ένα ΣΗΕ που λειτουργεί σε στάσιµη κατάσταση (ισορροπία εφαρµοζόµενης µηχανι- 1 Ακριβέστερα, το σύστηµα πρέπει να αποσβένει τις επιπτώσεις των µεταβατικών ϕαινοµένων, δηλ. ταλαντώσεις και υπερυψώσεις που εισάγονται στην τάση και στην συχνότητα του δικτύου. 95

96 Σχήµα 4.1 Ευστάθεια ΣΗΕ, ορισµός IEEE [20]. Σχήµα 4.2 Γωνία ϕόρτισης µηχανής (load angle), δ [3]. 96

97 κής ισχύος και παραγόµενης ηλεκτρικής ισχύος), οι διάφορες µηχανές λειτουργούν σε συγχρονισµό µεταξύ τους, ενώ οι σχετικές γωνίες των δροµέων τους προσδιορίζονται από την µεταφερόµενη ενεργό ισχύ µεταξύ τους. Το αποτέλεσµα που επιφέρει µια διαταραχή στο σύστηµα είναι η µεταβολή της ϱοής ισχύος µεταξύ των µηχανών, και εποµένως, η ταλάντωση (swinging) του δροµέα κάθε µηχανής ως προς τους άλλους δροµείς. Αυτή η ταλάντωση προκαλεί διακύµανση των τάσεων του συστήµατος. Το σύστηµα ϑεωρείται ευσταθές (stable) εάν, µετά από µια τέτοια διαταραχή, όλες οι µηχανές επιστρέφουν σε κατάσταση συγχρονισµού, ενώ ϑεωρείται ασταθές (unstable) εάν µια ή περισσότερες µηχανές οδηγηθούν σε απώλεια συγχρονισµού. Αναλυτικότερα [1, 3], η ηλεκτρική ισχύς µιας σύγχρονης µηχανής είναι ίση µε το γινόµενο της ηλεκτρικής ϱοπής T e µε την γωνιακή ταχύτητα ω του άξονα. Ακολουθώντας µια διαταραχή, η µεταβολή στην ηλεκτρική ϱοπή αναλύεται σε δυο συνιστώσες - σχηµατίζεται έτσι η εξίσωση ταλάντωσης (swing equation) [1, 3, 16], T e = T s δ + T d ω (4.1) Ο πρώτος όρος T s δ είναι η συνισταµένη της ηλεκτρικής ϱοπής που είναι σε ϕάση µε την µεταβολή της γωνίας ϕόρτισης, και ονοµάζεται ϱοπή συγχρονισµού 2. Αυτή αυξάνει την έλξη των ϱοών στάτη και δροµέα, µειώνοντας την γωνία ϕόρτισης, κρατώντας το σύστηµα σε συγχρονισµό. Ο δεύτερος όρος T d ω είναι η συνισταµένη της ηλεκτρικής ϱοπής που είναι σε ϕάση µε την µεταβολή της γωνιακής ταχύτητας, και ονοµάζεται ϱοπή απόσβεσης 3. Αυτή µειώνει την µεταβολή της γωνίας ϕόρτισης του δροµέα στις διαταραχές, και εξαρτάται άµεσα από την καθυστέρηση ϕάσης του ϱεύµατος διέγερσης. Από τις δυο αυτές συνιστώσες εξαρτάται η συµπεριφορά της µηχανής, σε όλες τις πιθανές περιπτώσεις σφάλµατος. Σε κάθε σύστηµα διέγερσης, η ενίσχυση µιας ϱοπής γίνεται σε ϐάρος της άλλης- δεν είναι δυνατή η ταυτόχρονη διατήρηση των δυο σε επιθυµητά επίπεδα. Με ϐάση αυτούς τους ορισµούς, λοιπόν, αναλύεται η ευστάθεια µηχανών στο δίκτυο Ανάλυση ευστάθειας Η ευστάθεια των ΣΗΕ (power system stability, [3]) διακρίνεται σε ευστάθεια στάσιµης και µεταβατικής κατάστασης, ανάλογα µε την χρονική διάρκεια της διαταραχής. Ενα σύστηµα έχει ευστάθεια στάσιµης κατάστασης (steady state stability) εάν, µετά από µια µικρή και αργή διαταραχή, µπορεί να διατηρήσει τον συγχρονισµό 2 Synchronizing torque. 3 Damping torque. 97

98 ή να τον επανακτήσει µόνο του. Αργή διαταραχή ϑεωρείται αυτή που ολοκληρώνεται σε χρόνο µεγαλύτερο από τις χρονικές σταθερές των µηχανών 4, των ϱυθµιστών στροβίλων, και των αυτόµατων ϱυθµιστών τάσης. Τέτοιες διαταραχές ϑεωρούνται οι ϕυσιολογικές διακυµάνσεις ϕορτίου, και οι µεταβολές των ϱυθµιστών στροβίλων και τάσης. Η γωνία ϕόρτισης µεταβάλλεται συνήθως από 1 o -5 o. Ενα σύστηµα έχει ευστάθεια µεταβατικής κατάστασης (transient stability, [3]) εαν, µετά από µια µεγάλη και απότοµη διαταραχή (διάρκειας µικρότερης των 3-5sec) µπορεί να διατηρήσει τον συγχρονισµό ή να τον επανακτήσει. Τέτοιες διαταραχές (µεταβατικά ϕαινόµενα) ϑεωρούνται τα σφάλµατα και οι αποζεύξεις τους, οι απότοµες µεταβολές ισχύος, και οι χειρισµοί διακοπτών, µε πιθανή απώλεια του στοιχείου που προκάλεσε το σφάλµα, ή και άλλων στην περιοχή που συνέβη. Η µεταβολή στη γωνία ϕόρτισης είναι συνήθως µεγαλύτερη των 5 o. Μεγάλο ϱόλο στην ευστάθεια µεταβατικής κατάστασης παίζουν οι αυτόµατοι ϱυθµιστές τάσης (A.V.R.). Οι παραπάνω ϐασικές αρχές ευστάθειας των ΣΗΕ, περιέχουν την παραδοχή ότι οι ϱυθµιστές στροβίλου και τάσης είναι υπερβολικά αργοί για να δράσουν κατά την περίοδο ανάλυσης, δηλαδή µετά από µια απότοµη διαταραχή. Εαν οι ϱυθµιστές αυτοί ϑεωρηθούν γρήγοροι ώστε να επιδράσουν στην διαταραχή και όχι µόνο στα συµπτώµατά της, τότε η ανάλυση περνά στην δυναµική ευστάθεια (dynamic stability, [3]), µια υποπερίπτωση της ευστάθειας µεταβατικής κατάστασης. Η δυναµική ευστάθεια χαρακτηρίζεται από διαταραχές που έχουν µεγαλύτερη χρονική διάρκεια (ενδεικτικά, 3-30sec) και σχετικά µικρό πλάτος. Εδώ η ϱύθµιση επιτυγχάνεται µε υποσυστήµατα που ενσωµατώνονται στους ϱυθµιστές τάσης (ανάλυση στις επόµενες ενότητες) Οριακή λειτουργία, διάγραµµα Ρ-δ Κατά την λειτουργία µιας γεννήτριας σε στάσιµη κατάσταση, η ισχύς στην έξοδό της, δίνεται από την σχέση: E G ΗΕ Μηχανής, P e = E GE T X s sin δ, µε E T X s τάση στους πόλους, σύγχρονη αντίδραση µηχανής, (4.2) δ γωνία ϕόρτισης, µεταξύ E G, E T ενώ η άεργος ισχύς της δίνεται από την σχέση: Q e = E T (E G cosδ E T ) X s (4.3) 4 Οι τιµές της χρονικής µεταβατικής σταθεράς µιας στροβιλογεννήτριας είναι περίπου 1 sec. [3] 98

99 Σχήµα 4.3 Μοντέλο γεννήτριας συνδεδεµένης σε άπειρο Ϲυγό. Με E G συµβολίζεται η ηλεκτρεγερτική δύναµη της γεννήτριας, και µε E T η τάση στους πόλους της. Η γωνία µεταξύ των δυο τάσεων είναι η γωνία ϕόρτισης δ, µε αναφορά την τάση E T. Με X s δίνεται η σύγχρονη αντίδραση της γεννήτριας. Από τους παραπάνω τύπους [1], διαπιστώνεται πως για σταθερή ΗΕ διέγερσης και σταθερή τάση στους πόλους, η ισχύς της γεννήτριας εξαρτάται από το sin δ, δηλαδή την γωνία ϕόρτισης. Οµως η αλλαγή ϕόρτισης µιας γεννήτριας που εξυπηρετεί σταθερό ηλεκτρικό ϕορτίο, γίνεται µόνο µε µεταβολή της µηχανικής ισχύος στον στρόβιλο. Ετσι, αποδεικνύεται η άµεση εξάρτηση ενεργού ισχύος στην έξοδο µιας γεννήτριας µε την µηχανική ισχύ στον στρόβιλο (Σχέση 4.2). Αντίστοιχα, από την Σχέση 4.3, η άεργος ισχύς καθορίζεται από την ΗΕ διέγερσης E G, για σταθερή ενεργό ισχύ. Κάθε µεταβατικό ϕαινόµενο, είτε λόγω ϱύθµισης είτε λόγω διαταραχής του συστήµατος, τείνει να µεταβάλλει την γωνία ϕόρτισης και την ενεργό ισχύ στην έξοδο. Αν επιζητούµε ευστάθεια, πρέπει οι δυνάµεις που ασκούνται στο σύστηµα να τείνουν να µηδενίσουν τις µεταβολές στην γωνία ϕόρτισης, επαναφέροντας την στην αρχική τιµή της. Ως γενική συνθήκη ευστάθειας [3], αποδεικνύεται ότι η γωνία ϕόρτισης πρέπει να είναι µικρότερη των π 2 για απόσβεση µικρών διαταραχών, και µικρότερη των 60 o -70 o για µεγαλύτερες διαταραχές (π.χ. ϐραχυκυκλώµατα). Η ισχύς P s = E GE T X s cosδ λέγεται ισχύς συγχρονισµού ( Watt ), προκύπτει από την rad εξίσωση ταλάντωσης (Σχέση 4.1), δρα σα συνεκτική δύναµη στο δίκτυο και κρατά σε συγχρονισµό τη µηχανή στα µεταβατικά ϕαινόµενα. Στη διάρκεια αυτών, αυξάνεται απότοµα η γωνία ϕόρτισης και η µηχανή αποµακρύνεται από την στάσιµη κατάσταση [24, 11]. Με ϱύθµιση στη µηχανική ισχύ επαναφέρεται σε νέα στάσιµη κατάσταση, ενώ µε το πέρας του ϕαινόµενου επανέρχεται στην αρχική. Αν η ισχύς συγχρονισµού είναι επαρκής, η γωνία ϕόρτισης αυξάνεται λιγότερο, το σύστηµα είναι πιο άκαµπτο στις διαταραχές, και διατηρείται συγχρονισµένο 5. Στην περίπτωση που η γωνία ϕόρτισης ξεπεράσει τα π 2 και αυξηθεί ελάχιστα η µηχανική ισχύς στον άξονα, η ηλεκτροµαγνητική ισχύς ϑα µειωθεί και ϑα είναι πάντα µικρότερη της µηχανικής. Αυτό σηµαίνει πως ο δροµέας ϑα επιταχύνεται άσκοπα και η γωνία ϕόρτισης ϑα συνεχίσει να αυξάνεται ανεξέλεγκτα ως τα π rad. Από την τιµή αυτή και µετά, η 5 Πιο περιγραφικά, η γωνία ϕόρτισης δείχνει την ικανότητα του ηλεκτρικού συστήµατος να απορ- ϱοφήσει την κινητική ενέργεια του δροµέα, µε όριο περίπου τα π 2. 99

100 Σχήµα 4.4 ιάγραµµα Ισχύος-Γωνίας ϕόρτισης (Ρ-δ). Στο διάγραµµα, ϕαίνονται δύο χαρακτηριστικές Ισχύος-Γωνίας ϕόρτισης. Αν από µια αρχική στάσιµη κατάσταση (γωνία δ 1 ), συµβεί µια διαταραχή που απαιτεί µεγαλύτερη ισχύ στην έξοδο (προσθήκη ϕορτίου, απόζευξη γραµµής), η γωνία ϕόρτισης αυξάνεται, ο ϱυθµιστής στροβίλου αυξάνει την µηχανική ισχύ, και το σύστηµα µεταβαίνει σε νέα στάσιµη κατάσταση (γωνία δ 2 ). Αν το σύστηµα ανταποκριθεί αργά και η γωνία αυξηθεί πέρα από τα π 2 (γωνία δ 3), το σύστηµα γίνεται ασταθές ( dpe dδ < 0) και επιταχύνεται συνεχώς. Είναι εµφανές ότι η σχέση ισχύος-γωνίας είναι µη γραµµική, και αυτό επιβάλει µεγάλη προσοχή στους χειρισµούς οριακών καταστάσεων. 100

101 Σχήµα 4.5 ροµέας γεννήτριας µετά από ανεξέλεγκτο σφάλµα, που οδήγησε σε ολίσθηση πόλων. µηχανή παίρνει ισχύ από το δίκτυο και τον στρόβιλο, και εργάζεται ως κινητήρας. Η γωνία ϕόρτισης ϕτάνει ως τα 2π rad, το ϕαινόµενο ονοµάζεται ολίσθηση πόλων, και επαναλαµβάνεται ανεξέλεγκτα. Εµφανίζονται έντονες ταλαντώσεις τάσεων, ενώ οι καταπονήσεις που υφίσταται η µηχανή είναι τεράστιες (Σχ. 4.5), και αποσυνδέεται αναγκαστικά (tripping) από το δίκτυο. Η σχέση της ισχύος συγχρονισµού µε την γωνία ϕόρτισης (Σχέση 4.4) αποδεικνύει ότι το όριο ευστάθειας ϐρίσκεται κοντά στην τιµή θ = π 2. Για µεγάλες διαταραχές, το όριο είναι µικρότερο (60o -70 o ). dp e dδ > 0, θ < π 2 (4.4) ιέγερση γεννήτριας Για την παραγωγή εναλλασσόµενου ϱεύµατος στην γεννήτρια απαιτείται η διέγερσή της, δηλαδή η τροφοδοσία του δροµέα µε συνεχές ϱεύµα. Το ϱεύµα αυτό πρέπει να είναι ελεγχόµενο, αφού όπως αναφέρθηκε, η µεταβολή του επηρεάζει την άεργο ισχύ στην έξοδο της µηχανής και την τάση στους πόλους της. Επίσης, η τιµή του ϱεύµατος διέγερσης περιορίζεται αυστηρά από τις µηχανικές και ϑερµικές αντοχές των τυλιγµάτων του δροµέα, και παρακολουθείται συνεχώς από τα συστήµατα προστασίας της γεννήτριας. Το σύστηµα που εφαρµόζει την διέγερση, έχει σαν στόχο να κρατά σταθερή τάση στους πόλους και να ϱυθµίζει την άεργο ισχύ σύµφωνα µε τις απαιτήσεις του δικτύου. Η σταθερή τάση ελαχιστοποιεί τις µεταβολές στη γωνία ϕόρτισης, ϐελτιώνοντας την ευστάθεια του συστήµατος. Οπως αναφέρθηκε, η ανεπάρκεια στην ισχύ συγχρονισµού επιταχύνει την µετα- ϐολή στη γωνία ϕόρτισης, και µπορεί να ϕέρει τη µηχανή εκτός συγχρονισµού, στη 101

102 Σχήµα 4.6 ιάγραµµα Ισχύος-Γωνίας ϕόρτισης (Ρ-δ). Οριακή ευστάθεια. Στο διάγραµµα (κόκκινο για ταχύτερο και ισχυρότερο σύστηµα διέγερσης), ϕαίνεται η διαφορά στην οριακή ευστάθεια των δυο συστηµάτων. Σύµφωνα µε το κριτήριο των ίσων εµβαδών, όταν συµβεί µια διαταραχή και αυξηθεί απότοµα η µηχανική ισχύς, άρα και η γωνία ϕόρτισης (εµβαδό Α), για να κρατηθεί το σύστηµα συγχρονισµένο πρέπει να υπάρχει διαθέσιµο ίσο εµβαδό Β, στην περιοχή όπου η ηλεκτρική ισχύς είναι µεγαλύτερη της µηχανικής (επαρκής ισχύς συγχρονισµού). Το ταχύτερο σύστηµα έχει αυτήν την δυνατότητα, ενώ στις ίδιες συνθήκες το αργό σύστηµα ϑα χάσει τον συγχρονισµό. διάρκεια ενός έντονου µεταβατικού ϕαινοµένου. Τέτοια αστοχία µπορεί να αποφευχθεί, εαν αναπτυχθεί επαρκής µαγνητική ϱοή στην µηχανή, ώστε να κρατήσει την γωνία ϕόρτισης σχετικά σταθερή. Αυτό σηµαίνει, πως το σύστηµα διέγερσης και ο ϱυθµιστής τάσης (A.V.R.) πρέπει να ανταποκριθούν πολύ γρήγορα, εφαρµόζοντας µεγάλη ϑετική ή αρνητική τάση στο δροµέα (επιτάχυνση ή επιβράδυνση της γωνίας) [4, 16]. Ετσι, η ταχύτητα απόκρισης του ϱυθµιστή στις µεταβολές της γωνίας και η ικανότητα του συστήµατος διέγερσης να επιβάλει και να διατηρήσει την τάση, είναι στοιχεία που έχουν ιδιαίτερη σηµασία στην ευστάθεια της µηχανής, και είναι απαιτήσεις για όλες τις σύγχρονες γεννήτριες. 102

103 Σχήµα 4.7 ιάγραµµα λειτουργίας γεννήτριας ιάγραµµα λειτουργίας Ενα χρήσιµο εργαλείο για την µελέτη µιας γεννήτριας είναι το διάγραµµα λειτουργίας της [1]. Στο διάγραµµα αυτό, απεικονίζονται ηλεκτρικά και µηχανικά µεγέθη της γεννήτριας, µαζί µε τους περιορισµούς που εισάγουν στη λειτουργία της. Ειδικότερα, απεικονίζεται η ϕαινόµενη ισχύς (S = P +iq) σε άξονες P-Q, η αλληλεπίδραση των µεγεθών της γεννήτριας όταν µεταβάλλονται, ενώ εξάγονται συµπεράσµατα για την ευστάθεια της µηχανής στις µεταβολές αυτές. Στο Σχ. 4.7, οι καµπύλες c 1, c 3 είναι οµόκεντροι κύκλοι µέγιστης ακτίνας ΑΒ, και αποτελούν αντίστοιχα, το ελάχιστο και µέγιστο επιτρεπόµενο ϱεύµα του δροµέα. Οι τιµές αυτών των ϱευµάτων καθορίζονται από τα µηχανικά χαρακτηριστικά του δροµέα και την ϑερµική αντοχή των τυλιγµάτων του. Οι κύκλοι αυτοί δίνονται µαθηµατικά ως εξής: P 2 + ( ) 2 Q + E2 T X s ( ) 2 ET E G, µε X s E T E G X s τάση στους πόλους, τάση διέγερσης, σύγχρονη αντίδραση µηχανής, (4.5) Παρόµοια, η καµπύλη c 2 είναι κύκλος ακτίνας ΟΒ, και αντιστοιχεί στο µέγιστο ϱεύµα του στάτη. Η τιµή αυτή καθορίζεται από τις ϑερµικές αντοχές των τυλιγµάτων του στάτη και της µόνωσής τους. Ο κύκλος αυτός δίνεται µαθηµατικά ως: P 2 + Q 2 ( ) E T τάση στους πόλους, 2 ET I a, µε I a ϱεύµα στάτη, X s σύγχρονη αντίδραση µηχανής, (4.6) 103

104 Η ευθεία ǫ 1 είναι η µέγιστη ενεργός ισχύς που µπορεί να δώσει η γεννήτρια, και εξαρτάται άµεσα από την µέγιστη ισχύ που µπορεί να δώσει η κινητήρια µηχανή. Η κλίση της ευθείας ǫ 2 δίνει την µέγιστη γωνία ϕόρτισης δ της γεννήτριας. Η περιοχή που ορίζεται από τους παραπάνω γεωµετρικούς τόπους, είναι και η περιοχή ευστα- ϑούς λειτουργίας της γεννήτριας. Κάθε σηµείο που περιέχεται σ αυτήν είναι ασφαλές σηµείο λειτουργίας, ενώ λειτουργία έξω από την περιοχή αυτή ϑέτει σε κίνδυνο την µηχανή και την εγκατάσταση. Γενικά, σε µια οικονοµικά αποδεκτή κατασκευή, πρέπει η ευθεία ǫ 1 να τέµνεται σε κοινό σηµείο (σηµείο Β) µε τις καµπύλες c 2, c 3, σε συνθήκες ονοµαστικής λειτουργίας. Το µήκος του ανύσµατος ΟΒ δίνει την τιµή της ϕαινόµενης ισχύος S (VA) για συγκεκριµένη τιµή ισχύος και διέγερσης. Η κλίση του ανύσµατος αυτού δίνει το cos φ, ή αλλιώς τον συντελεστή ισχύος στην έξοδο της γεννήτριας (pf). Το µήκος του ανύσµατος ΑΒ δίνει την τιµή της εφαρµοζόµενης διέγερσης E T, ενώ η κλίση του ανύσµατος δίνει τη γωνία ϕόρτισης δ της γεννήτριας. Η ενεργός ισχύς εξαρτάται από την ισχύ που µπορεί να δώσει ο στρόβιλος, όπως και άλλους µηχανικούς περιορισµούς του συστήµατος (απώλειες στον άξονα, δονήσεις κ.λ.π.). Η ενεργός ισχύς δεν πρέπει ποτέ να είναι αρνητική, διότι τότε η γεννήτρια ϑα εργάζεται σαν κινητήρας (σύγχρονος ή επαγωγικός, ανάλογα µε τη διέγερση), παίρνοντας ισχύ από το δίκτυο, και ο άξονας ϑα επιταχύνεται ανεξέλεγκτα. Σε ότι αφορά την άεργο ισχύ, αυτή εξαρτάται άµεσα από το ϱεύµα του δροµέα, δηλαδή τη διέγερση που εφαρµόζεται, ενώ υπάρχει µια κατώτατη τιµή (εξαρτάται από τα χα- ϱακτηριστικά της µηχανής), πέρα από την οποία η λειτουργία δεν είναι ευσταθής. Οµοια, η µέγιστη άεργος ισχύς που µπορεί να παραχθεί περιορίζεται και αυτή, από τα ϑερµικά χαρακτηριστικά του δροµέα Αεργος ισχύς, παραγωγή και ϱύθµιση Η άεργος ισχύς Q που ϱέει σε ένα δίκτυο επηρεάζει έντονα την ευστάθειά του [4]. Οι συνήθεις πρακτικές µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας απαιτούν την χαµηλότερη δυνατή ϱοή άεργου, διότι διαφορετικά η τάση δικτύου πέφτει, αυξάνονται οι απώλειες στις γραµµές, και µειώνεται η ικανότητα µεταφοράς ενεργού ισχύος. Οι διαχειριστές του δικτύου επιβάλλουν περιορισµούς στην άεργο ισχύ που Ϲητούν οι καταναλωτές, και απαιτούν τους συντελεστές ισχύος των εγκαταστάσεων, όσο το δυνατόν πλησιέστερα στη µονάδα. Η ανάγκη άεργου ισχύος και το κατά πόσο αυτή ικανοποιείται, συνδέεται άµεσα µε την ϑέση παραγωγής-κατανάλωσης πάνω στο δίκτυο. Αν η απόσταση είναι σχετικά µικρή, η Ϲήτηση καλύπτεται από τις γεννήτριες, ενώ διαφορετικά µπορεί να ικανοποιηθεί από το δίκτυο και από στοιχεία αντιστάθµισης. Άλλωστε, οι γραµµές µεταφοράς σε µεγάλα µήκη παρουσιάζουν χωρητική συµπεριφορά, και ως τέτοια 104

105 Σχήµα 4.8 Ικανότητα γεννήτριας στην παραγωγή άεργου ισχύος. Αριστερά, µηχανή µε συντελεστή ισχύος 0.85 και µικρή σύγχρονη αντίδραση, και δεξιά µηχανή µε υψηλότερο συντελεστή ισχύος και µεγαλύτερη σύγχρονη αντίδραση, ϐοηθώντας την παραγωγή άεργου ισχύος. στοιχεία µελετώνται και προσοµοιώνονται. Για να συνεργάζεται µια µονάδα παραγωγής µε τις διακυµάνσεις ισχύος του δικτύου, πρέπει να παρέχει ή να απορροφά άεργο ισχύ, ανάλογα µε τις συνθήκες που επικρατούν. Πρέπει ωστόσο να επισηµανθεί, πως οι µεταβολές άεργου είναι πολύ µεγαλύτερες από αυτές στην ενεργό ισχύ, για δεδοµένες συνθήκες [4]. ηλαδή, για µια µεταβολή 1% στην τάση δικτύου, η µεταβολή στην ενεργό ισχύ είναι περίπου 1%, ενώ η µεταβολή στην άεργο είναι περίπου 5%. Για µεγαλύτερες µεταβολές τάσης, υπάρχει ένα σηµείο στο οποίο η µεταβολή της άεργου αντιστρέφεται (αναλυτικά στις επόµενες ενότητες). Η απαίτηση άεργου ισχύος ϕορτίζει έντονα την λειτουργία της γεννήτριας, όπως ϕάνηκε παραπάνω, στην ανάλυση του διαγράµµατος λειτουργίας. Γενικά, η ικανότητα µιας γεννήτριας να παράγει άεργο ισχύ καθορίζεται από την ονοµαστική ισχύ της, αλλά και από τον λόγο ϐραχυκύκλωσης SCR 6 [1, 4]. Ο λόγος αυτός είναι το ϱεύµα διέγερσης υπό ονοµαστική τάση χωρίς ϕορτίο, προς το ϱεύµα διέγερσης που απαιτείται για την παραγωγή ονοµαστικού ϱεύµατος στάτη µε ϐραχυκυκλωµένους πόλους. Είναι αντιστρόφως ανάλογος µε την σύγχρονη αντίδραση της γεννήτριας, και όσο µεγαλύτερος είναι, τόσο αυξάνεται η ικανότητα της µηχανής να λειτουργεί σε µεγαλύτερους συντελεστές ισχύος χωρίς να µειώνεται το περιθώριο ευστάθειάς της. Βέβαια, µεγάλος λόγος ϐραχυκύκλωσης (περίπου 0.9) σηµαίνει χαµηλή αντίδραση µηχανής, πράγµα που αυξάνει κατά πολύ το κόστος της (Σχ. 4.8). Πολλές µέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για την ϐελτίωση της ευστάθειας, επιτρέποντας έτσι, λειτουργία µε χαµηλότερη τιµή SCR, ως και 0.5 (αντιστοιχεί σε µικρότερο διάκενο στη γεννήτρια, άρα σε πιο ανθεκτική και ταυτόχρονα, οικονοµική λειτουργία της) [4]. Ακόµη, τα τελευταία χρόνια, η οικονοµική πλευρά της άεργου ισχύος έχει προ- 6 SCR: Short Circuit Ratio. 105

106 σελκύσει µεγάλο ενδιαφέρον, λόγω της ϕύσης των σύγχρονων δικτύων. Εαν µια µονάδα χρειαστεί να προσφέρει άεργο ισχύ για υποστήριξη στο δίκτυο, αναγκάζεται να µειώσει την ικανότητά της στην παραγωγή ενεργού ισχύος. Σε µια απελευθερωµένη αγορά, η µονάδα αυτή πρέπει να αποζηµιωθεί ανάλογα µε την ενεργό ισχύ που περιορίζεται να παράγει. Ακόµη, η επιλογή παραγωγού από τον διαχειριστή σε ότι αφορά την άεργο διαφέρει λόγω του ότι στην κοστολόγηση εισάγεται ο παράγοντας της γεωγραφικής ϑέσης και απόστασης από την κατανάλωση. Ετσι, η δυνατότητα των µονάδων παραγωγής να προσφέρουν άεργο ισχύ συνεχώς εξελίσσεται, και αποτελεί σηµαντικό παράγοντα κατά τον σχεδιασµό τους. Παράλληλα µε τον προγραµµατισµό των µονάδων, έχουν αναπτυχθεί πολλά µοντέλα ϐελτιστοποίησης της παραγωγής, από την σκοπιά της άεργου. Για συγκεκριµένη µονάδα µε δεδοµένα χαρακτηριστικά, αναλύονται και µελετώνται παράγοντες, όπως οι µετασχηµατιστές ανύψωσης τάσης και οι ϱυθµιστές τάσης υπό ϕορτίο, η γεννήτρια και το σύστηµα διέγερσης, καθώς και το εσωτερικό δίκτυο της µονάδας. Ετσι, προκύπτουν οι ϐέλτιστες τιµές για τον οικονοµικότερο και πιο κερδοφόρο προγραµµατισµό της παραγωγής ιαγράµµατα Q-V, P-V Πριν την ανάλυση τάσης, παρουσιάζονται 2 διαγράµµατα που χρησιµοποιούνται ως εργαλεία στη µελέτη ηλεκτρικών δικτύων, και δίνουν την σχέση τάσης µε την ενεργό και άεργο ισχύ [4, 13]. Η µελέτη τάσης - άεργου ισχύος σε ένα δίκτυο εκτιµά την απαιτούµενη άεργο ισχύ για να διατηρηθεί σταθερή µια δεδοµένη τιµή τάσης. Υπό σταθερές συνθήκες λειτουργίας, αύξηση στην τάση δικτύου οδηγεί σε αύξηση της απαιτούµενης άεργου, ενώ σε έντονα µεταβατικά ϕαινόµενα και σε περιπτώσεις αστάθειας, η συνεχής πτώση τάσης οδηγεί σε µεγαλύτερες ανάγκες άεργου. Αυτό περιγράφεται καλύτερα στο Σχ. 4.9, όπου δίνονται οι χαρακτηριστικές τάσης - άεργου ισχύος για δεδοµένες συνθήκες δικτύου. Κάθε καµπύλη έχει ένα κατώτατο σηµείο, το σηµείο οριακής τάσης, δηλαδή το όριο ευσταθούς λειτουργίας. Η τάση λειτουργίας πρέπει να ϐρίσκεται αρκετά δεξιότερα του οριακού σηµείου, ώστε το σύστηµα να αντέχει έντονες ταλαντώσεις τάσης. Αριστερά του οριακού σηµείου το σύστηµα είναι ασταθές, και η άεργος ισχύς αλλάζει συµπεριφορά - αυξάνεται συνεχώς. Η απόσταση του οριακού σηµείου κάθε καµπύλης από τον οριζόντιο άξονα είναι το περιθώριο άεργου ισχύος. Η κατώτερη χαρακτηριστική αντιπροσωπεύει το σύστηµα µε όλες τις µονάδες σε λειτουργία, ενώ, τυχόν απόρριψη ϕορτίων µεταφέρει το σύστηµα στην παραπάνω χαρακτηριστική, ώσπου να σταθεροποιηθεί η συµπερι- ϕορά του. Κάθε τέτοια µετάβαση ϕέρνει το σύστηµα πιο κοντά στην αστάθεια, αφού µειώνεται το περιθώριο άεργου. Το πλάτος της τάσης σε σχέση µε την άεργο ισχύ είναι ένα εργαλείο σχετικά 106

107 Σχήµα 4.9 ιάγραµµα Τάσης - Άεργου ισχύος (Q-V). Σχήµα 4.10 ιάγραµµα Τάσης - Ενεργού ισχύος (P-V). Σε έντονες ϕορτίσεις, το σύστηµα από την ανώτερη καµπύλη µπορεί να µεταβεί σε κατώτερη µέσω απόρριψης ϕορτίων, προκειµένου να διατηρήσει την λειτουργία του. Αν συµβεί στο σηµείο 1, η διατήρηση είναι επιτυχής, στο σηµείο 2 είναι οριακή, ενώ στο σηµείο 3 το σύστηµα καταρρέει. ϕτωχό, ως προς τα συµπεράσµατα που εξάγονται, αφού σε ένα µεταβατικό ϕαινόµενο, πρέπει να αναλυθούν αρκετές γραµµές και στοιχεία του δικτύου, για να εξαχθεί σωστό συµπέρασµα. Επιπρόσθετα, λοιπόν, µελετάται η σχέση της ενεργού ισχύος µε την τάση. Σε µια γραµµή, η ανάλυση αυτή δίνει την ικανότητα µεταφοράς ισχύος για δεδοµένη τιµή τάσης. Παρόµοια µε το προηγούµενο διάγραµµα, στο Σχ δίνονται όµοιες χαρακτη- ϱιστικές που αντιστοιχούν σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. Η ανώτερη καµπύλη αντιπροσωπεύει το δίκτυο µε όλες τις µονάδες σε λειτουργία, και εκφράζει την µέγιστη ικανότητά του, από πλευράς ενεργού ισχύος για κάθε τιµή της τάσης. Οταν 107

108 η µεταφορά ισχύος ϕτάνει στα όριά της παρατηρείται πτώση τάσης, που αυξάνεται συνεχώς. Οι καµπύλες διακόπτονται απότοµα στο δεξιότερο άκρο τους, την αιχµή της καµπύλης. Αυτή αντιστοιχεί στην οριακή τάση, στην οποία το σύστηµα γίνεται ασταθές (οδηγείται σε κατάρρευση τάσης, [15]), εκτός αν µεταβεί σε κατώτερη χαρακτηριστική µέσω απόρριψης ϕορτίων. Παρατηρείται ότι, οι χαµηλότερες καµπύλες έχουν πολύ εντονότερο χαρακτήρα, πράγµα που δηλώνει ότι το σύστηµα γίνεται δυσκολότερο στον έλεγχο, όσο απορρίπτει ϕορτία και πλησιάζει προς την αστάθεια Ελεγχος και ϱύθµιση τάσης, οριακές συνθήκες Εξίσου σηµαντική για ένα ηλεκτρικό δίκτυο είναι η ευστάθεια τάσης, η ικανότητά του δηλαδή, να διατηρήσει σταθερή τάση σε όλους τους Ϲυγούς, έπειτα από µια διαταραχή. Η αστάθεια µπορεί να εκδηλωθεί µε την προοδευτική αύξηση ή µείωση των τάσεων, σε ένα ή περισσότερα σηµεία του δικτύου. Αντίθετα µε την συµπεριφορά της συχνότητας, οι τάσεις του δικτύου µπορούν να µεταβληθούν σε τιµές εκτός ορίων, µέσα σε κλάσµατα δευτερολέπτου, και η κατάρρευση τάσης (voltage collapse) να είναι αναπόφευκτη. Η κατάρρευση είναι το σύµπτωµα της αστάθειας τάσης, µια ακολουθία γεγονότων που οδηγούν σε έντονα χαµηλές τάσεις, µέσα στο δίκτυο. Η κύρια αιτία για την αστάθεια τάσης είναι η συµπεριφορά των ϕορτίων [4]. Σε µια διαταραχή, η επιπλέον ισχύς που καταναλώνεται, επιστρέφεται στο δίκτυο µετά την απόσβεση του ϕαινοµένου, µε ενέργειες όπως η διόρθωση ολίσθησης κινητήρων, ϱύθµιση γραµµών µεταφοράς και επιστροφή των tap-changers 7 στις αρχικές τους ϱυθµίσεις. Λόγω του ότι οι δράσεις αυτές διαρκούν ελάχιστα δευτερόλεπτα, αυξάνεται πολύ η ϕόρτιση των γραµµών µεταφοράς, και της κατανάλωσης άεργου, επιδεινώνοντας επιπλέον το πρόβληµα. Άλλωστε, οι εφεδρείες άεργου ισχύος συνεισφέρουν στον έλεγχο τάσης, µε τον ίδιο τρόπο που συνεισφέρουν οι εφεδρείες ενεργού ισχύος στην συχνότητα. Η σχέση των δυο αυτών ϱυθµίσεων είναι πολύ κοντινή. Ωστόσο, αν και οι απώλειες ενεργού ισχύος στις γραµµές µεταφοράς έχουν µικρή επιρροή στην συχνότητα του δικτύου, οι απώλειες άεργου ισχύος µπορούν να ϕέρουν το δίκτυο σε οριακές καταστάσεις. Το ποσό της αναγκαίας άεργου καθορίζει αφενός την επιρροή στη τάση δικτύου, και αφετέρου, τον τρόπο ϱύθµισής της στο δίκτυο. Σε συνθήκες όπου η Ϲήτηση είναι µέσα στις δυνατότητες του δικτύου, η ϱύθµιση τάσης επιτυγχάνεται µε τα συστήµατα A.V.R. στις γεννήτριες και τους OLTC 8 των µετασχηµατιστών µονάδων και δικτύου. Σε περιπτώσεις µεγαλύτερης Ϲήτησης, η κάλυψη προέρχεται από συστήµατα αντι- 7 Tap-changer: Ρυθµιστής τάσης, εξάρτηµα µετασχηµατιστών που αλλάζει την σχέση των τυλιγµάτων, επιδρώντας έτσι, στην τελική τάση. ιακρίνεται σε ϱυθµιστή υπό ϕορτίο και µη (on-load, off-load t.c.) 8 OLTC: On Load Tap Changer. 108

109 στάθµισης και διασυνδεδεµένα δίκτυα. Στόχος του ελέγχου και της ϱύθµισης είναι να διατηρείται σταθερή τάση στην πλευρά των καταναλωτών, µε στενές διακυµάνσεις, συνήθως µικρότερες του 5% της ονοµαστικής τάσης. Για τον χαρακτήρα της τάσης που προαναφέρθηκε, αυτό είναι ιδιαίτερα δύσκολο. Ετσι, για ϐέλτιστα αποτελέσµατα, η ϱύθµιση χωρίζεται σε πρωτογενή και δευτερογενή (συχνά και τριτογενή), όµοια µε τον τρόπο ελέγχου της συχνότητας [4]. Η πρωτογενής ϱύθµιση εκτελείται από τους ϱυθµιστές A.V.R. στις µονάδες. Αυτοί ενεργούν στην διέγερση των γεννητριών για να διατηρηθεί η τάση των πόλων στην τιµή αναφοράς, και στους tap-changers των µετασχηµατιστών µονάδων. Η ϱύθµιση που επιτυγχάνουν είναι ταχύτατη - οι σταθερές χρόνου τους είναι της τάξης δευτερολέπτων ή και δέκατά τους. Η δευτερογενής ϱύθµιση διαιρεί το δίκτυο σε επί µέρους τµήµατα, το καθένα εκ των οποίων έχει έναν ϱυθµιστή τάσης τµήµατος. Αυτός δρα στην τιµή αναφοράς της τάσης συγκεκριµένων γεννητριών του τµήµατος, ελέγχοντας την παραγόµενη άεργο (άρα και την τάση) του τµήµατος. Η τριτογενής ϱύθµιση είναι µια διαδικασία προγραµµατισµού, κυρίως για λόγους εφεδρείας και οικονοµικής λειτουργίας. Μια σηµαντική περίπτωση της αστάθειας τάσης είναι και ο κίνδυνος υπέρτασης (overvoltage), που έχει συµβεί σε µεµονωµένες περιπτώσεις [6, 12]. Η αιτία είναι η χωρητική συµπεριφορά µερικών γραµµών µεταφοράς, αλλά και γεννητριών σε περιπτώσεις υποδιέγερσης 9. Αυτού του είδους η αστάθεια οφείλεται στην αδυναµία της παραγωγής και της µεταφοράς του δικτύου να λειτουργούν σε συνθήκες κάτω των επιτρεπόµενων. Ως έσχατο µέτρο για την διατήρηση της ευστάθειας τάσης, είναι η απόρριψη ϕορτίου 10 λόγω υπότασης 11. Η απόρριψη αυτή δρα σε προεπιλεγµένες περιοχές και µε καθορισµένα ϐήµατα, όταν η τάση πέσει στο 80-90%. Στόχος είναι να ανακτηθεί άεργος ισχύς από τις περιοχές αυτές, και να περιορισθεί τοπολογικά η πτώση τάσης Συστήµατα διέγερσης και υποσυστήµατα A.V.R. Ο Αυτόµατος Ρυθµιστής Τάσης (A.V.R.) είναι το κύριο τµήµα του συστήµατος διέγερσης, και ϱόλος του είναι ο έλεγχος της τάσης διέγερσης, µε τέτοιο τρόπο, ώστε στην έξοδο της µονάδας να λαµβάνονται οι επιθυµητές τιµές τάσης και άεργου 9 Σε περιπτώσεις υποδιέγερσης µηχανών (under-excitation), οι µηχανές απορροφούν άεργο ισχύ. Λόγω της σηµασίας στην προστασία υπερδιέγερσης, το ϕαινόµενο αναλύεται στο Κεφ Η αυτόµατη απόρριψη ενεργοποιείται στην λογική της ελεγχόµενης απόρριψης µερικών ϕορτίων, προκειµένου να ανακάµψει το σύστηµα και να µην καταρρεύσει ανεξέλεγκτα. 11 Ο όρος είναι UVLS (Under-Voltage Load Shedding), και διακρίνει την απόρριψη ϕορτίου λόγω πτώσης τάσης από την απόρριψη λόγω πτώσης συχνότητας UFLS (Under-Frequency Load Shedding). 109

110 ισχύος. Η ταχύτητα απόκρισης του A.V.R. είναι ιδιαίτερης σηµασίας στην µελέτη ευστάθειας [5, 16]. Αυτό διότι λόγω της υψηλής επαγωγής των τυλιγµάτων στο δροµέα της γεννήτριας, είναι πολύ δύσκολο να εµφανιστούν άµεσα οι αλλαγές της διέγερσης στο ϱεύµα του δροµέα. Η καθυστέρηση αυτή είναι υπολήψιµου µεγέθους στον αυτόµατο έλεγχο της γεννήτριας, και είναι από τα µεγαλύτερα εµπόδια στον σχεδιασµό των συστηµάτων διέγερσης. Ολα τα συστήµατα διέγερσης είναι συστήµατα ελέγχου µε αναδράσεις εισόδου και εξόδου. Στην µοντελοποίησή τους, η γεννήτρια περιλαµ- ϐάνεται στο σύστηµα ελέγχου διέγερσης, ενώ τα επιµέρους τµήµατα περιέχονται στο γενικό σύστηµα διέγερσης. Ο σηµαντικότερος όρος στην περιγραφή των συστηµάτων διέγερσης είναι ο λόγος απόκρισης τάσης [5]. Είναι ένα αυστηρό µέτρο που δείχνει πόσο αυξάνεται η τάση ανοικτού κυκλώµατος διέγερσης σε χρόνο 0.5sec 12, αν ο έλεγχος αυξήσει την διέγερση µε τον µέγιστο ϱυθµό µεταβολής (build-up curve). Αλλιώς, ο λόγος αυτός προκύπτει από εκείνη την ϐηµατική είσοδο στην τάση αναφοράς, που ϑα οδηγήσει την διέγερση στην ανώτατη τιµή της, σε σύνδεση εκτός ϕορτίου 13. Η ανώτατη τιµή τάσης είναι εξίσου καθοριστική για την ταχύτητα απόκρισης του συστήµατος διέγερσης, αφού όσο µεγαλύτερη είναι, τόσο γρηγορότερα το σύστηµα ϑα µεταβεί σε νέα τιµή - ο κορεσµός του συστήµατος συµβαίνει στην ανώτατη τιµή. Από την τιµή αυτή, άλλωστε, εξαρτάται και η ικανότητα παραγωγής άεργου ισχύος, αν και τα συστή- µατα διέγερσης δεν σχεδιάζονται για παρατεταµένη λειτουργία στην ανώτατη τιµή διέγερσης, παρά µόνο για µερικά δευτερόλεπτα. Τα σηµερινά συστήµατα διέγερσης µπορούν να επέµβουν σε ένα σφάλµα µειώνοντας την πρώτη κυµάτωση, και εξασφαλίζοντας ότι κάθε κυµάτωση ϑα είναι µικρότερη από την προηγούµενη. Αυτό µπορεί να επιτευχθεί µε κατάλληλη αντιστάθµιση στο σύστηµα διέγερσης, αλλά δεν µπορεί να επιβληθεί ικανοποιητικά στην πρώτη κυµάτωση, ακόµη και αν το σύστηµα είναι ταχύτατο. Η διόρθωση στο σηµείο αυτό είναι µάλλον οριακή, σε αντίθεση µε την επίδραση που έχει στις επόµενες [5] (ανάλυση στην επόµενη ενότητα). 12 Ο χρόνος των 0.5sec επιλέγεται από την σταθερά χρόνου παλιότερων συστηµάτων διέγερσης. 13 Για το σύστηµα διέγερσης, ϕορτίο ϑεωρείται το τύλιγµα του δροµέα. 110

111 Σχήµα 4.11 Πλήρες µοντέλο ελέγχου στροβιλογεννήτριας µε σύστηµα διέγερσης 111 Με είσοδο την τάση αναφοράς, στο διάγραµµα ϕαίνονται τα µοντέλα του ϱυθµιστή τάσης µε έξοδο την τιµή διέγερσης, του συστήµατος διέγερσης µε έξοδο την τάση διέγερσης, το κύκλωµα της γεννήτριας µε έξοδο την ΗΕ του στάτη, και η στρεφόµενη µάζα. Τελική έξοδος είναι η τάση στους πόλους V t, και η µεταβολή της γωνίας ϕόρτισης, δ. Στον πρώτο αθροιστή εισάγεται η ανάδραση τάσης διέγερσης G F, το σήµα σταθεροποίησης του συστήµατος PSS, και η ανάδραση µέτρησης της τάσης V t. Οι σταθερές K 1 K 6 εξαρτώνται από το ϕυσικό σύστηµα, τις αρχικές συνθήκες και το ϕορτίο που εξυπηρετείται. Η ηλεκτρική ϱοπή T e αποτελείται από δύο συνιστώσες, την T e1 που εξαρτάται από τα εσωτερικά χαρακτηριστικά της µηχανής, και την T e2 που εξαρτάται από την διέγερση.

112 Σε ότι αφορά τον ϱυθµιστή τάσης, αναφέρθηκε αρκετές ϕορές η σηµασία της ταχύτητας στις διορθωτικές του επεµβάσεις. Οποια και αν είναι η ταχύτητα του συστήµατος διέγερσης, η απόκριση του συνολικού συστήµατος ϑα εξαρτάται πάντα από την απόκριση του A.V.R., αφού αυτός οδηγεί το σύστηµα διέγερσης. Αν έχει καθυστερήσεις, ανενεργές Ϲώνες ή µικρή ευαισθησία, το συνολικό σύστηµα ϑα έχει µικρή προσφορά στην µονάδα. Ακόµη, για υψηλή αξιοπιστία και διαθεσιµότητα, ο A.V.R. πρέπει να είναι αναλογικός ελεγκτής (P,PI) [5]. Κάθε διορθωτική του κίνηση πρέπει να είναι απολύτως ανάλογη µε την απόκλιση των τάσεων εξόδου και αναφοράς. Μεγάλα σφάλµατα δέχονται µεγάλες διορθώσεις και αντίστροφα, ενώ δεν είναι αποδεκτή η ύπαρξη καµίας ανενεργής περιοχής συχνότητας. Μελέτες έχουν δείξει [5] πως ο αναλογικός χαρακτήρας του A.V.R. συµβάλλει κατά πολύ στην ευστάθεια στάσιµης κατάστασης, και αυξάνει τα όριά της. Ενα ακόµη σηµείο που αξίζει να αναλυθεί είναι η µαγνητική ϱοή από τα τυλίγµατα διέγερσης προς τον οπλισµό του στάτη, κατά την διάρκεια του µεταβατικού ϕαινοµένου - ϑεωρείται ότι η ϱοή αυτή παραµένει αµετάβλητη. Αν προκληθεί σφάλ- µα στο δίκτυο, η αντίδραση των τυλιγµάτων τείνει να µειώσει την ϱοή προς τους οπλισµούς (αληθές για µηχανές που ϐρίσκονται σε κοντινή απόσταση στο σηµείο του σφάλµατος). Τότε, ο A.V.R. επεµβαίνει και αυξάνει την διέγερση, προκειµένου να αυξηθεί η ϱοή. Ετσι, στην διάρκεια του σφάλµατος η δράση του οπλισµού και η δράση του A.V.R. αντιτίθενται µεταξύ τους. Μαζί µε τη µεγάλη χρονική σταθε- ϱά των τυλιγµάτων διέγερσης, η ϱοή ϕαίνεται σταθερή στην πρώτη κυµάτωση του σφάλµατος, πράγµα που υπονοεί την παρουσία ενός A.V.R. που διατηρεί σταθερό το επίπεδο ϱοής. Αφού, στην διάρκεια του σφάλµατος, τα αποτελέσµατα της αντίδρασης του οπλισµού έχουν ισχυρή επίδραση, συµπεραίνεται πως η χρονική διάρκεια ενός σφάλµατος καθορίζει άµεσα αν ο συγκεκριµένος A.V.R. είναι επαρκής για την διατήρηση σταθερής ϱοής Συστήµατα PSS Στην εξίσωση ταλάντωσης 4.1, η ϱοπή απόσβεσης T d δηλώνει την ικανότητα της γεννήτριας να µειώνει τις απότοµες µεταβολές στην γωνία ϕόρτισης του δροµέα. Η ϱοπή αυτή προκύπτει από την αλληλεπίδραση της µαγνητικής ϱοής στο διάκενο µε το τύλιγµα του δροµέα. Ετσι, εξαρτάται σε µεγάλο ϐαθµό από το ϱεύµα διέγερσης, άρα και την καθυστέρηση ϕάσης που εµφανίζεται σάυτό από την αυτεπαγωγή του τυλίγµατος. Αν ανιχνευθεί µια διαταραχή, ο έλεγχος του AVR ϑα επιβάλλει την αντίστοιχη διόρθωση στη τάση διέγερσης. Λόγω του παραπάνω ϕαινοµένου, όµως, η διόρθωση δεν ϑα εµφανιστεί την στιγµή που επέλεξε ο AVR, αλλά µετά από συγκεκριµένο χρόνο καθυστέρησης. Στη διάρκεια αυτού του χρόνου, η διαταραχή ϑα έχει αλλάξει και ϑα 112

113 χρειάζεται νέα διόρθωση. Αντάυτής, ϑα εµφανιστεί η πρώτη διόρθωση, οδηγώντας την απόκριση της µηχανής σε απροσδιόριστη κατάσταση. Στην περίπτωση αυτή, η ϱοπή απόσβεσης µπορεί να γίνει αρνητική, όπως προκύπτει τελικά από την ϱύθµιση του συστήµατος διέγερσης. Η αρνητική απόσβεση δηλώνει την αντίθεση στην οµαλή λειτουργία και την προσφορά ενέργειας στις διαταραχές 14. Αν και το συνολικό σύστηµα ελέγχου µπορεί να τις αποσβέσει, δεν ισχύει το ίδιο για διαταραχές µικρού πλάτους και µεγάλης χρονικής διάρκειας. Οι συγκεκριµένες ταλαντώσεις ταξινοµούνται σε: - ταλαντώσεις µονάδας, περιλαµβάνουν γεννήτριες σε µια µονάδα αλλά και άλλες, πολύ κοντινές µεταξύ τους. Οι µηχανές ταλαντώνονται µεταξύ τους σε συχνότητες περίπου 1.5Hz µε 3Hz. - τοπικές ταλαντώσεις, περιλαµβάνουν γεννήτριες σε µια µονάδα που ταλαντώνονται µε ένα µεγάλο δίκτυο. Οι συχνότητες των ταλαντώσεων είναι από 0.7Hz ως 2Hz, και είναι κρίσιµες όταν η µονάδα εξυπηρετεί µεγάλο ϕορτίο, ή παρεµ- ϐάλλεται δίκτυο υψηλής αντίδρασης. - ταλαντώσεις περιοχής, περιλαµβάνουν συνδυασµούς µηχανών σε µια περιοχή του δικτύου, που ταλαντώνονται µε µηχανές άλλης περιοχής. Οι συχνότητες είναι µικρότερες των 0.5Hz. Αν οι διαταραχές αυτές δεν αποσβεστούν, αυξάνονται ανεξέλεγκτα στον χρόνο και ϕέρνουν το σύστηµα σε οριακή ευστάθεια. Η διόρθωση και ενίσχυση της ϱοπής απόσβεσης γίνεται, είτε µε την προσθήκη παράλληλων γραµµών στο δίκτυο για µικρότερη αντίδραση (πολύ υψηλό κόστος), είτε µε την ενσωµάτωση τεχνητών συµπληρωµατικών σηµάτων στους A.V.R. - είναι τα συστήµατα PSS 15. Η ϐασική αρχή λειτουργίας τους είναι µια αντιστάθµιση ϕάσης (πρόσω αντιστάθ- µιση ή προήγηση ϕάσης 16, µε τιµές που καθορίζονται από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της γεννήτριας, και από τη δυναµική συµπεριφορά του δικτύου [17]. Η σταθε- ϱοποίηση µέσω συστήµατος PSS είναι ένας έλεγχος, παράλληλος µε αυτόν της τάσης διέγερσης. Με κατάλληλους υπολογισµούς δίνει µια τιµή διόρθωσης της διέγερσης, που εισάγεται στον κόµβο άθροισης της τάσης αναφοράς και της τάσης εξόδου για την παραγωγή του σφάλµατος ϑέσης της τάσης εξόδου (Σχ. 4.11). Τα σήµατα που δέχεται το PSS µπορεί να προέρχονται από την ταχύτητα ή άλλο σχετικό µέγεθος (συχνότητα), και επεξεργάζονται έτσι ώστε να δίνουν την επιθυµητή διόρθωση ϕάσης. Οι Ϲώνες συχνότητας γύρω από τις οποίες ϱυθµίζεται η λειτουργία 14 Στο Σχ. 4.11, η αρνητική απόσβεση εκφράζεται από την σταθερά K 5, που σε τέτοιες περιπτώσεις παίρνει αρνητικές τιµές. 15 PSS: Power System Stabilizers. 16 Lead compensation. 113

114 Σχήµα 4.12 ιάταξη PSS µιας εισόδου (speed-based stabilizer). τους, είναι µεταξύ της ϕυσικής συχνότητας της µηχανής και της κύριας συχνότητας ταλαντώσεων του δικτύου. Οι πρώτες σχεδιάσεις PSS ήταν συστήµατα µιας εισόδου, κυρίως της γωνιακής ταχύτητας του δροµέα (speed-based stabilizers). Μετρώντας την ταχύτητα αυτή, και οδηγώντας την σε ένα υψιπερατό ϕίλτρο για την συγκράτηση µόνο των υψίσυχνων σηµάτων (ταλαντώσεις δροµέα που οφείλονται σε διαταραχές), το σύστηµα ανίχνευε την ύπαρξη διαταραχών. Στην συνέχεια, µια ϐαθµίδα προήγησης ϕάσης έκανε την επιθυµητή αντιστάθµιση, ώστε η διόρθωση να επιβάλλεται την σωστή χρονική στιγµή (Σχ. 4.12). Το µειονέκτηµα της σχεδίασης αυτής είναι η αδυναµία αποµόνωσης του ϑορύβου που εισάγεται από την ανεπιθύµητη κίνηση του άξονα (εγκάρσια ή δια- µήκης) λόγω δονήσεων. Ο ϑόρυβος αυτός οδηγεί σε υπερβολική διαµόρφωση της διέγερσης και καταστρεπτικές µεταβολές στην ηλεκτρική ϱοπή. Για τον λόγο αυτό, ακολουθήθηκε η σχεδίαση σταθεροποιητών PSS µε είσοδο ϐασισµένη στην µετρούµενη ηλεκτρική ισχύ. Λόγω του ότι, η διαφορά µηχανικής ισχύος του στροβίλου από την ηλεκτρική ισχύ που εξυπηρετείται, δίνει την απόκλιση της γωνίας ϕόρτισης του δροµέα, µετράται έµµεσα η γωνιακή ταχύτητα. Η µέτρηση της ηλεκτρικής ισχύος γίνεται µε ϐατόµετρο, ενώ η µηχανική ισχύς προσδιορίζεται από την ϑέση της ϐαλβίδας παροχής. Ισχύει ότι: dω dt = T m T e 2H (4.7) ή για µικρές µεταβολές, d dt ω = T m T e 2H (4.8) Ολοκληρώνοντας εξάγεται η Ϲητούµενη τιµή: ω = 1 ( P m P e ) (4.9) 2H Η µέθοδος αυτή εγκαταλείφθηκε για τους σταθεροποιητές δυο εισόδων, µια άλλη έµµεση µέθοδο υπολογισµού, που συνδυάζει τα πλεονεκτήµατα των παραπάνω µε- ϑόδων. Αφού οι µετρήσεις ταχύτητας και ηλεκτρικής ισχύος είναι άµεσα διαθέσιµες, αρκεί να απαλειφθούν τα µειονεκτήµατα που εισάγουν. Με άλλα λόγια, η αποκοπή 114

115 Σχήµα 4.13 IEEE type PSS2A). ιάταξη PSS δυο εισόδων (integral of accelerating power, των ανεπιθύµητων όρων της ταχύτητας και η απεξάρτηση από την µέτρηση της µηχανικής ισχύος οδηγούν στην ϐέλτιστη σχεδίαση. Αυτό γίνεται µε µαθηµατικό τρόπο, επεµβαίνοντας στην εξίσωση ταλάντωσης. Από την Σχέση 4.9, P m = 2H ω + P e (4.10) Αφού η µηχανική ισχύς αλλάζει αργά σε σχέση µε τις ταλαντώσεις, η παράγωγός της µπορεί να περιοριστεί στη συχνότητα µέσω χαµηλοπερατού ϕίλτρου (G(s)). Ετσι, απορρίπτονται οι ανεπιθύµητοι υψίσυχνοι όροι, κρατώντας µια αντιπροσωπευτική τιµή της µηχανικής ισχύος. Αυτή εισάγεται στην Σχέση 4.9, απ όπου παράγεται η µεταβολή στην γωνιακή ταχύτητα, µε ειδικά χαρακτηριστικά. Προκύπτει: ω = 1 ( 2H [G(s) 2H ω + 1 ) s P e 1 s P e] = (4.11) = G(s) ω + 1 s (G(s) 1) P e (4.12) 2H Η τελική τιµή της ταχύτητας δίνεται από ένα bandpass ϕιλτραρισµένο σήµα ταχύτητας, και ένα highpass ϕιλτραρισµένο ολοκλήρωµα της ηλεκτρικής ισχύος. Στις χαµηλές συχνότητες υπερισχύει η µέτρηση της ταχύτητας, ενώ στις υψηλές η έξοδος καθορίζεται κυρίως από την ηλεκτρική ισχύ. Η µέθοδος αυτή, περιγράφεται από την Σχέση 4.11 και ονοµάζεται ολοκλήρωµα της επιταχυνόµενης ισχύος 17 ( (P m P e )dt). Υλοποιείται στο µοντέλο IEEE type PSS2A, διπλής εισόδου (Σχ. 4.13). Μια εξίσου αποτελεσµατική σχεδίαση µιας εισόδου είναι αυτή του Σχ (εφαρ- µόζεται στην γεννήτρια του ατµοστροβίλου, του σταθµού ΕΝ.ΘΕΣ. ). Με είσοδο την ενεργό ισχύ που παράγεται, διαχωρίζεται µέσω ϕίλτρου 5ης τάξης, σε δυο όρους ευθέως ανάλογους µε την ταχύτητα και την επιτάχυνση της γωνίας ϕόρτισης του δροµέα. Αυτοί χρησιµοποιούνται για την σύνθεση του σήµατος διόρθωσης, µε ϱυθ- 17 Integral of accelerating power. 115

116 Σχήµα 4.14 ιάταξη PSS µιας εισόδου (type pss ELIN ). Σχήµα 4.15 Απόκριση ισχύος µε σύστηµα PSS. Αριστερά, η ϐηµατική απόκριση ισχύος (MW) ενδεικτικής µονάδας, µε απενεργοποιηµένο το σύστηµα PSS, και δεξιά η ίδια µονάδα µε το PSS ενεργοποιηµένο. Είναι εµφανής η επίδραση του συστήµατος στην απόσβεση διαταραχών, αλλά και η αδυναµία επέµβασής του στην πρώτη κυµάτωση. µιζόµενο πλάτος (α) και ϕάση προήγησης (p). Οι όροι είναι οι εξής: G(s) = P e Ενεργός ισχύς γεννήτριας, (4.13) 1 1 st 3 st 4 st 5 Φίλτρο διαχωρισµού, (4.14) 1 + st st st st st 5 B(s) = k 2 G(s) Ορος επιτάχυνσης γωνίας δ, (4.15) V (s) = k st 6 G(s) Ορος ταχύτητας γωνίας δ, (4.16) Z(s) = ±α[b(s)(1 p) + V (s)(1 p 1 )] Σήµα σταθεροποίησης, (4.17) α Πλάτος Z(s), (4.18) p Προήγηση ϕάσης Z(s), = (4.19) Γενικότερα, το τελικό αποτέλεσµα των σταθεροποιητικών συστηµάτων PSS είναι µια ιδιαίτερα εξοµαλυµένη απόκριση στην ισχύ εξόδου της µονάδας, κατά την διάρκεια ταλαντώσεων µικρού πλάτους της γωνίας ϕόρτισης. Σηµειώνεται ότι, κατά τις κυµατώσεις της διαταραχής, δεν είναι δυνατή η επέµβαση στην πρώτη κυµάτωση, αλλά µόνο στις υπόλοιπες (Σχ. 4.15). Αυτό, διότι η αρχική ταλάντωση του δροµέα έχει αδρανειακό χαρακτήρα, καθώς αποκρίνεται στην επιταχυνόµενη ισχύ του. Οι υπόλοιπες ταλαντώσεις είναι συνέπεια της πρώτης και εκεί η δράση του σταθεροποιητή είναι µεγάλη. 116

117 4.2 Συγχρονισµός µονάδας Η έννοια της συχνότητας παρουσιάστηκε στο 2ο κεφάλαιο, δίνοντας την σηµασία και τον ϱόλο της στα ηλεκτρικά δίκτυα. Στο κεφάλαιο αυτό αναλύεται η ευστάθειά της συχνότητας και οι επιπτώσεις των µεταβολών της στο δίκτυο Βασικό σχήµα Ως συγχρονισµός, καλείται η διαδικασία σύνδεσης δυο ηλεκτρικών δικτύων, συνήθως τριφασικών. Η ιδιαιτερότητά της έγκειται στο γεγονός ότι, την στιγµή της σύνδεσης τα δίκτυα πρέπει να έχουν πανοµοιότυπα χαρακτηριστικά. Αυτά συνοψίζονται στους εξής κανόνες: - όµοια επίπεδα τάσης και στις τρεις ϕάσεις, - όµοια διαδοχή ϕάσεων, - µηδενική διαφορά µεταξύ των αντίστοιχων ϕάσεων. Η τήρηση αυτών των κανόνων είναι επιτακτική, διότι σε διαφορετική περίπτωση η σύνδεση των δικτύων ϑα έχει απρόβλεπτες και καταστρεπτικές συνέπειες. Μετά τον συγχρονισµό, τα δύο δίκτυα ανταλλάσουν ενέργεια µεταξύ τους, ενώ τυχόν µεταβολές επηρεάζουν το ίδιο και τις δυο πλευρές - πλέον, το δίκτυο ϑεωρείται ενιαίο. Το µέγεθος που απεικονίζει την ικανότητα των δικτύων να παραµείνουν συγχρονισµένα µεταξύ τους είναι η στρεφόµενη εφεδρεία (spinning reserve) [2, 3, 4]. Ορίζεται ως η διαφορά της εξυπηρετούµενης ισχύος από την µέγιστη διαθέσιµη ισχύ των συγχρονισµένων µονάδων, σε µια χρονική στιγµή. Αν η εφεδρεία επαρκεί, τότε σε πιθανό σφάλµα, η πτώση στη συχνότητα δεν ϑα είναι µεγάλη, και το σφάλµα ϑα αποσβεστεί από τις µονάδες. Μεγάλη σηµασία έχει και η ποιότητα της εφεδρείας στο δίκτυο. Σε αρκετές περιπτώσεις black-out, η ανάλυση έδειξε πως εκτός από το ποσό της εφεδρείας, κρίσιµοι παράγοντες για την ανάκαµψη του δικτύου, ήταν ο τύπος της (προερχόµενοι από ΑΗΣ, ΘΗΣ, ΥΗΣ) και η χωροταξική της ϑέση. Ως ειδική περίπτωση των παραπάνω, µελετάται η σύνδεση γεννήτριας στο δίκτυο. Η τήρηση των κανόνων συγχρονισµού προστατεύει την µηχανή, και εξασφαλίζει την µακροχρόνια λειτουργία της Ελεγχος συχνότητας, οριακές συνθήκες Στο 2ο κεφάλαιο, αναλύθηκε η πρωτογενής ϱύθµιση συχνότητας µέσω του ϱυθ- µιστή στροφών. Εδώ, µελετάται η ευστάθεια συχνότητας στο δίκτυο και οι επιπτώσεις που έχει σάυτό. 117

118 Στην γενική περίπτωση των δυο δικτύων, οι διαταραχές είναι κοινές και επηρεά- Ϲουν όµοια τις δυο πλευρές. Ωστόσο, η ικανότητα της κάθε πλευράς να αποσβέσει την διαταραχή δείχνει την ικανότητά της να παραµείνει συγχρονισµένη. Για λόγους προστασίας, σε έντονες διαταραχές το κάθε τµήµα αποκόπτεται και λειτουργεί αποµονω- µένο. Ετσι, σταθεροποιείται ευκολότερα στην ονοµαστική συχνότητα και εξυπηρετεί µόνο τα δικά του ϕορτία (ισόχρονη ϱύθµιση), µε σκοπό να επανασυγχρονισθεί µε το υπόλοιπο δίκτυο. Τα τµήµατα καλούνται νησίδες, και η λειτουργία αυτή (island mode) είναι µια δικλείδα ασφαλείας των διασυνδεδεµένων δικτύων, στα ϕαινόµενα αποσταθεροποίησης και ολικής απώλειας (black-out). Σε δυσκολότερες περιπτώσεις, όταν η κατάτµηση του δικτύου σε νησίδες δεν επαρκεί για την σταθεροποίησή του, εφαρµόζεται η απόρριψη ϕορτίων (UFLS 18 ). Στην λογική της ελεγχόµενης απόρριψης, το δίκτυο ελαφρύνεται κατά πολύ µε την µείωση του ϕορτίου που καλείται να εξυπηρετήσει. Η πτώση συχνότητας επιβραδύνεται και κρατείται όσο το δυνατόν πλησιέστερα στην ονοµαστική της τιµή. Ωστόσο, σε περιπτώσεις αστάθειας ή κατάρρευσης τάσης, η µέθοδος UFLS δεν είναι ικανή να κρατήσει το δίκτυο σε ευσταθή λειτουργία, λόγω της ταχύτητας των ϕαινοµένων. Στα σηµερινά δίκτυα, η εγκατάσταση συστηµάτων UFLS είναι αναγκαία, και επιβάλλεται από τους διαχειριστές δικτύων. Ως πρώτο ϐήµα, απορρίπτεται περίπου το 25-30% του ϕορτίου, και η διαδικασία συνεχίζεται σε προσχεδιασµένα ϐήµατα. Στο τελευταίο από αυτά, ενεργοποιούνται οι ηλεκτρονόµοι προστασίας των γεννητριών και τις ϑέτουν εκτός λειτουργίας Το κριτήριο Ν-1 Ενας σηµαντικός κανόνας της σχεδίασης ηλεκτρικών δικτύων είναι το κριτήριο Ν-1 [13, 14]. Εκφράζει την απαίτηση ότι το σύστηµα πρέπει να λειτουργεί αδιάλειπτα, µέσα στο όρια ασφαλείας του, ακόµη και µετά την απώλεια της µεγαλύτερης µονάδας ή γραµµής του. Αφού µια γεννήτρια ή µια γραµµή µπορεί να τεθεί εκτός λειτουργίας, λόγω τυχαίου σφάλµατος σε τυχαία χρονική στιγµή, το σύστηµα πρέπει να λειτουργεί συνεχώς µε αµυντικό τρόπο απέναντι σάυτήν την πιθανότητα. Σε καµία περίπτωση δεν πρέπει να τεθεί σε κίνδυνο η λειτουργία των υπόλοιπων µονάδων, ούτε να ξεπεραστούν τα όρια ασφαλείας τους. Το κριτήριο Ν-1 διασφαλίζει από το πρωταρχικό επίπεδο της σχεδίασης, ότι το σύστηµα ϑα διατηρεί πάντα την ευστάθειά του, και δεν ϑα οδηγείται σε ακραίες συνθήκες λειτουργίας. Το κριτήριο Ν-1 λειτουργεί ϐοηθητικά µαζί µε την στρεφόµενη εφεδρεία. Σε µια διαταραχή, ενεργοποιείται ο πρωτογενής έλεγχος στις µονάδες, αµέσως µετά η διαταραχή αποσβένεται από την στρεφόµενη εφεδρεία, ενώ στις µεταβατικές διαταραχές 18 UFLS: Under-Frequency Load Shedding. 118

119 (διάρκεια πολλών sec) το κριτήριο Ν-1 εξασφαλίζει την ευστάθεια του συστήµατος. Αρκετά σηµεία του δικτύου, λειτουργούν µε το κριτήριο Ν-2, που εγγυάται ευσταθή λειτουργία, ακόµη και µε απώλεια των 2 µεγαλύτερων στοιχείων του δικτύου. Αυτό εφαρµόζεται κυρίως σε έντονα κατοικηµένες περιοχές ή όταν οι γραµµές έχουν κοινή δοµή και εκτίθενται σε κοινά σφάλµατα. 4.3 Το σύστηµα διέγερσης της General Electric Η General Electric συνοδεύει τις σύγχρονες γεννήτριές της µε το EX2100, ένα στατικό σύστηµα διέγερσης σχεδιασµένο µε έµφαση στην ταχύτητα απόκρισης και στην ικανότητα επιβολής µεταβολών στο ϱεύµα του δροµέα [7]. Το EX2100 παρέχει dc τάση στο τύλιγµα του δροµέα (Σχ. 4.17), και µε τη µεταβολή του πλάτους της επιτυγχάνει τον έλεγχο της ac τάσης στους πόλους της γεννήτριας, καθώς και της άεργου ισχύος που ανταλλάσει µε το δίκτυο. Ως ανάδραση στον έλεγχο που εκτελεί, το EX2100 δέχεται την επαγόµενη ac τάση του στάτη και το ϱεύµα γραµµής. Η dc τάση του δροµέα παράγεται από την ανόρθωση ac τριφασικής τάσης, σε 2 ανορθωτικές γέφυρες µε στοιχεία SCR ελεγχόµενης ϕάσης (όµοια µε αυτά του LCI). Η αυτονοµία του συστήµατος εξασφαλίζεται από τις δυο µονάδες επεξεργασίας σε λειτουργία αλληλοϋποστήριξης, ενώ η ταχύτητα απόκρισης που απαιτείται από ένα σύστηµα διέγερσης παρέχεται από την ευρεία χρήση οπτικών ινών στη διασύνδεση των τµηµάτων του EX2100. Τα παραπάνω δίνονται στο Σχ

120 120 Σχήµα 4.16 Μονογραµµικό διάγραµµα του EX2100.

121 Σχήµα 4.17 Λεπτοµέρειες της µεταφοράς dc τάσης στο τύλιγµα του δροµέα. Επάνω αριστερά, το κέλυφος όπου συνδέονται οι αγωγοί dc του EX2100 µε το τύλιγµα του δροµέα, και αριστερά, οι ψύκτρες συνδεδεµένες στο δροµέα. Κάτω αριστερά, οι δακτύλιοι του συλλέκτη στο άκρο του δροµέα, και δεξιά, λεπτοµέρεια των ψηκτρών Υλικό Στο EX2100 ενσωµατώνονται 3 τµήµατα ελέγχου, πανοµοιότυπα µεταξύ τους αλλά σε διαφορετικούς ϱόλους. Τα τµήµατα Μ1, Μ2 υλοποιούν τις µονάδες επεξεργασίας, και το τµήµα C την µονάδα ελέγχου και συγχρονισµού των λειτουργιών. Η εφαρµογή του EX2100 εκτελείται ταυτόχρονα στα τµήµατα Μ1, Μ2, αλλά µόνο ένα από αυτά (master) µπορεί να ελέγχει την έναυση των SCR στις γέφυρες ανόρθωσης. Η επιλογή του τµήµατος master γίνεται από το τµήµα C. Αυτό παρακολουθεί διαρκώς την κατάσταση των Μ1, Μ2 και σε περίπτωση σφάλµατος του master µεταφέρει τον έλεγχο στο άλλο. Ανεξάρτητα από την εκτέλεση της εφαρµογής, τα 3 τµήµατα κάνουν όµοια δειγµατοληψία των ηλεκτρικών µεγεθών, εκτελούν συµψηφισµό των τιµών κατά TMR 19, και το αποτέλεσµα εισάγεται στον επεξεργαστή master. Κάθε τµήµα περιέχει την µονάδα εκτέλεσης εφαρµογών και επικοινωνίας µε το Speedtronic (ACLA, 266 MHz Pentium P5, QNX), την µονάδα δειγµατοληψίας σηµάτων (DSPX, 60 MHz, TMS320c31), την µονάδα επικοινωνίας µε τις γέφυρες EISB και την µονάδα ελέγχου έναυσης των SCR, EMIO. 19 Η αρχιτεκτονική TMR παρουσιάζεται αναλυτικά στο Παράρτηµα

122 Σχήµα 4.18 Οψεις µιας γέφυρας ανόρθωσης του EX2100. εξιά, διακρίνονται τα SCR και οι αγωγοί έναυσής τους, τοποθετηµένα ανάµεσα στις ψύκτρες τους. Επίσης, διακρίνονται οι αγώγιµες µπάρες, τα µετρητικά στοιχεία πάνω τους και οι ασφάλειες του κάθε SCR. Αριστερά, συνολική όψη της µιας εκ των δυο γεφυρών. Το κύριο µέρος του EX2100 είναι οι δυο γέφυρες ανόρθωσης πλήρους κυ- µατοµορφής, µε χρήση 6 SCR των 100mm ανά γέφυρα. Οι δυο γέφυρες µπορούν να χρησιµοποιηθούν µεµονωµένα ή ταυτόχρονα, αυξάνοντας έτσι την απόδοση και την αξιοπιστία του συστήµατος. Η συνολική διάταξη τροφοδοτείται από τριφασική πηγή των 6.3kV και µπορεί να παράγει στην έξοδό της dc τάση που κυµαίνεται από -545V ως 620V, και ϱεύµα µεταξύ των τιµών 532A(AFNL) και 1676A(AFFL). Τα SCR συνοδεύονται από κυκλώµατα προστασίας και αποµόνωσης αιχµών τάσης κατά την µετάβασή τους (RC filters, snubbers), καθώς και dc ασφάλειες για σύνδεση µε τις dc γραµµές. Η µέτρηση της dc τάσης στην έξοδο της γέφυρας, προκειµένου να χρησιµοποιηθεί ως ανάδραση στον έλεγχο των SCR, γίνεται µε την χρήση στοιχείου dc shunt, που δίνει ένδειξη mv. Η αντίστοιχη µέτρηση ϱεύµατος γίνεται µε αισθητήρες Hall σε κάθε ένα από τα SCR, που δίνουν ένδειξη ma. Ο µετασχηµατιστής τροφοδοσίας της ανορθωτικής διάταξης είναι ξηρού τύπου (cast-resin), συνδεσµολογίας Yd1, ισχύος 2600kVA, αντίστασης 6% και τάσης 6.3/0.95kV, µε τροφοδοσία από την διανοµή 6.3kV του σταθµού. Για την απόζευξη του EX2100 από το τύλιγµα του δροµέα, χρησιµοποιείται ένας διπολικός διακόπτης dc 41DC που τοποθετείται στην έξοδο της ανορθωτικής διάταξης. Ο χειρισµός του γίνεται τόσο κατά την κανονική παύση λειτουργίας, όσο και κατά την αναγκαστική διακοπή όπου χρειάζεται να αποµακρυνθεί άµεσα η διέγερση 122

123 Σχήµα 4.19 Τα τµήµατα του EX2100. Επάνω, η εµπρόσθια όψη του EX2100. Από αριστερά, τα ηλεκτρονικά τµήµατα ελέγχου και επικοινωνίας, οι δύο ανορθωτικές γέφυρες, τα ϕίλτρα γραµµής, και οι διακόπτες DC. Κάτω, η οπίσθια όψη, µε την αναχώρηση των αγωγών DC (διακρίνεται το shunt), την άφιξη των αγωγών AC, τις δυο γέφυρες και τέλος, τα τµήµατα αποδιέγερσης, svs και ανίχνευσης γης. (ανάλυση στο Κεφ.5). Σε περίπτωση σφάλµατος, συµπληρωµατικά µε το διακόπτη dc λειτουργεί το τµή- µα αποδιέγερσης (de-excitation module), µε σκοπό την ακαριαία αποδιέγερση του τυλίγµατος. Η ύπαρξή του είναι αναγκαία, αφού το άνοιγµα του διακόπτη dc αποσυνδέει το τύλιγµα, αλλά δεν αποµακρύνει την ενέργεια που ήδη έχει αποθηκευτεί σάυτό. Το συγκεκριµένο τµήµα (EDEX) διαθέτει ξεχωριστό κύκλωµα για αυτή τη λειτουργία αποτελούµενο από ένα SCR και µια διάταξη RC εκφόρτισης προς τη γη, ενώ εκτελεί και τον έλεγχο της έναυσης του SCR. Παράλληλα στο τύλιγµα, το EX2100 συνδέει την διάταξη shaft voltage suppresor (svs), ένα RC ϕίλτρο που αποµακρύνει υψηλές συχνότητες, µεταφέροντας τις προς τη γη. Η ανάγκη ύπαρξής του οφείλεται στην έντονη κυµάτωση και τις αιχµές 123

124 που εισάγουν τα συστήµατα ανόρθωσης στην παραγόµενη dc τάση. Στην προκειµένη περίπτωση, µέσω της χωρητικής σύζευξης του τυλίγµατος µε τον άξονα του δροµέα, οι διαταραχές τάσης µεταδίδονται στα έδρανά του δηµιουργώντας ένα δυναµικό ως προς γη, που αν δεν αποµονωθεί µπορεί µακροπρόθεσµα να καταστρέψει την κατασκευή. Ακόµη, όπως απαιτούν τα πρότυπα προστασίας των συστηµάτων διέγερσης, τυχόν αστοχία της διέγερσης πρέπει να αναγνωρισθεί και το σύστηµα να ενεργήσει όπως χρειάζεται. Οι δυο κυριότερες αστοχίες ϑεωρούνται η απώλεια διέγερσης και η πα- ϱουσία γης στο τύλιγµα του δροµέα. Η πρώτη (LOE) υλοποιείται τόσο στο σύστηµα προστασίας της µονάδας, όσο και στο ίδιο το EX2100, ενώ η δεύτερη υλοποιείται στο EX2100. Τέλος, ολόκληρο το σύστηµα ψύχεται µε εξαναγκασµένη ϱοή αέρα που ελέγχεται από το τµήµα ελέγχου του EX Εφαρµογές Ο έλεγχος που εκτελεί το EX2100 δίνεται στα Σχ. 4.20, 4.21 και ϐασίζεται στο µοντέλο ελέγχου ST4B του IEEE. Η συνολική εφαρµογή συντίθεται από ϐιβλιοθήκες και τµήµατα εκτέλεσης των διάφορων εφαρµογών της General Electric. Η ϱύθµιση της εφαρµογής (τιµές, κέρδη) µπορεί να γίνει ακόµη και όταν το σύστηµα είναι σε λειτουργία. Οι έλεγχοι που εκτελούνται περιέχουν: παραγωγή τιµών αναφοράς για τους ϱυθµιστές (auto, manual), ϱύθµιση τάσης γεννήτριας, ϱύθµιση άεργου/συντελεστή ισχύος, περιορισµοί προστασίας, σύστηµα PSS, παρακολούθηση ϑερµοκρασίας δροµέα. Η εκτέλεση των παραπάνω εφαρµογών γίνεται στις µονάδες επεξεργασίας ACLA, σε λειτουργικό σύστηµα QNX. Η συνολική εφαρµογή µπορεί να λειτουργήσει είτε σε αυτόµατη ϱύθµιση τάσης (auto regulation), είτε σε άµεσο έλεγχο τάσης ή ϱεύµατος, όταν οι εντολές εισάγονται από τον χειριστή. A.V.R. Η παραγωγή της τιµής αναφοράς (setpoint) του AVR γίνεται στο τµήµα EXASP 20 (Σχ. 4.20). Αυτό δέχεται ως είσοδο τα αποτελέσµατα των υπόλοιπων τµηµάτων της 20 EXASP: Excitation AVR SetPoint. 124

125 Σχήµα 4.20 Η εφαρµογή του EX2100. Σχήµα 4.21 IEEE ST4B. Ο ϐρόγχος ελέγχου του EX2100, κατά το µοντέλο διέγερσης 125

126 Σχήµα 4.22 οκιµή ϐηµατικής απόκρισης του AVR στο σύστηµα διέγερσης του σταθµού ΕΝ.ΘΕΣ.. Σε λειτουργία µε σύνδεση στο δίκτυο, εισάγεται µια ϐηµατική διαταραχή των 0.02pu στην τιµή αναφοράς, προκειµένου να µετρηθεί η απόκριση της γεννήτριας και να ϱυθµιστεί ο AVR. Τελικά η γεννήτρια µεταβαίνει επιτυχώς στα 1.02pu. Από επάνω, το πλάτος της τάσης στους πόλους της γεννήτριας, η ενεργός και άεργος ισχύς που παράγεται, και η διάρκεια της ϐηµατικής διαταραχής. εφαρµογής, και ως τιµές αναφοράς, την τρέχουσα τιµή της τάσης στους πόλους και την τρέχουσα συχνότητα. Οι εφαρµογές που καθορίζουν τον υπολογισµό είναι οι εξής: το σήµα σταθεροποίησης από το τµήµα PSS, το σήµα περιορισµού από το τµήµα UEL, το σήµα αναφοράς AUTO REF, οι αναδράσεις τάσης, ϱεύµατος και συχνότητας. 126

127 Ο αλγόριθµός του EXASP δίνει την τελική τιµή που οδηγεί τον AVR. Ο σκοπός του είναι να ϱυθµίζει αποτελεσµατικά την τάση στους πόλους της γεννήτριας, µεταξύ των τιµών 90%-110% της ονοµαστικής τάσης 15.75kV. Αποτελείται από ένα κλειστό ϐρόγχο PI µε προστασία σφάλµατος ολοκλήρωσης (windup), που δέχεται την τάση στους πόλους ως ανάδραση, προκειµένου να οδηγήσει το τµήµα FVR. Field Voltage/Current Regulators Το τµήµα FVR είναι ο τυπικός ϱυθµιστής τάσης των εφαρµογών διέγερσης. Στις εισόδους του δέχεται τις τιµές που δίνει ο αυτόµατος (AVR) και χειροκίνητος έλεγχος τάσης, και εκτελεί έλεγχο PI µε ανάδραση της τάσης εξόδου της ανορθωτικής διάταξης. Παράλληλα µε το τµήµα FVR, λειτουργεί το FCR που εκτελεί έλεγχο διέγερσης µε ανάδραση ϱεύµατος, όπως µετράται στην έξοδο της ανορθωτικής διάταξης. Η τιµή αναφοράς του ϱεύµατος παίρνει είτε την µέγιστη είτε την ελάχιστη τιµή του, ώστε να µπορεί να επιβάλει τη διέγερση προς µια καλύτερη απόκριση στα µεταβατικά ϕαινόµενα. Τελικά, οι τιµές των FVR, FCR συγκρίνονται και η µικρότερη οδηγεί την ανορ- ϑωτική διάταξη. Τιµή AUTO REF Το τµήµα AUTO REF παράγει µια τιµή αναφοράς για τον AVR, από υπολογισµούς που ϐασίζονται σε µεταβλητές και καταστάσεις προκαθορισµένες από τον χειριστή. Επίσης, το τµήµα αυτό δέχεται τις εντολές Raise/Lower από το Speedtronic, τις επεξεργάζεται, και καθορίζει την τιµή που δίνεται στο τµήµα EXASP. Τµήµατα UEL, OEL, V/Hz, LOE Τα ϐοηθητικά τµήµατα UEL, OEL 21 περιορίζουν την απαίτηση του AVR για ϱεύ- µατα διέγερσης εκτός των καθορισµένων ορίων λειτουργίας. Το τµήµα UEL ελέγχει την µείωση της διέγερσης και την διατηρεί πάνω από την ελάχιστη τιµή της, χωρίς να διακινδυνεύεται η µεταβατική ευστάθεια της µηχανής. Οι παράµετροι του τµήµατος καθορίζονται από το διάγραµµα λειτουργίας της γεννήτριας (Σχ. 4.24), ενώ οι είσοδοί του είναι η τάση στους πόλους και η ισχύς που παράγεται (W, Var). Το τµήµα OEL εκτελεί λειτουργία προστασίας της µηχανής, διατηρώντας τη διέγερση κάτω από το ανώτατο όριό της, σε διαταραχές που απαιτούν µεγάλα ϱεύµατα και µπορούν να υπερθερµάνουν το δροµέα. 21 Under-Excitation Limiter, Over-Excitation Limiter. 127

128 Σχήµα 4.23 Παρακολούθηση του EX2100 από την εφαρµογή Cimplicity. Σχήµα 4.24 Το διάγραµµα λειτουργίας της γεννήτριας στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ., σε σχέση µε τα όρια υποδιέγερσης (UEL). 128

129 Σχήµα 4.25 Η υλοποίηση του PSS στο EX2100. Το τµήµα V/Hz παρακολουθεί τις µεταβολές της µαγνητικής ϱοής της γεννήτριας, και επεµβαίνει στη διέγερση ώστε η ϱοή να παραµένει µεταξύ του ±5% της ονοµαστικής τιµής της. Ετσι, ο έλεγχος V/Hz διατηρεί συνεχώς τη ϱοή κάτω από την ανώτερη τιµή των 1.10pu. Εξαίρεση αποτελεί η ϱύθµιση της ϱοής όταν η µονάδα λειτουργεί στη χαµηλότερη δυνατή συχνότητα (47.5Hz), όπου το συγκεκριµένο τµήµα περιορίζει την τάση στους πόλους στο 1.034pu. Το τµήµα Loss Of Excitation καλύπτει την ανάγκη των σύγχρονων µηχανών για αναγνώριση πιθανής απώλειας της διέγερσής τους, µε καταστρεπτικές συνέπειες για τα τυλίγµατά τους. Ο αλγόριθµος εξαρτάται από συγκεκριµένα χαρακτηριστικά της γεννήτριας και υλοποιείται από ειδική εφαρµογή. Ολα τα παραπάνω τµήµατα, ως ϑεµελιώδεις λειτουργίες προστασίας της γεννήτριας, παρουσιάζονται αναλυτικά στο Κεφ.5. Power System Stabilizer (PSS) Η εφαρµογή του EX2100 υλοποιεί το µοντέλο PSS2A του IEEE, όπως έχει αναλυ- ϑεί στην ενότητα 4.1.9, µε στόχο την ϐελτίωση της δυναµικής ευστάθειας, στον έλεγχο που εφαρµόζεται. Λόγω της εκτενούς ανάλυσης του συστήµατος στην προηγούµενη ενότητα, εδώ παρουσιάζονται οι παράµετροι του µοντέλου (Σχ. 4.25). Σηµειώνεται ότι, στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ. η λειτουργία του PSS είναι συνεχώς επιλεγµένη. Στόχος της General Electric είναι η µελλοντική αντικατάσταση της υλοποίησης PSS2A από την πιο σύγχρονη PSS4A, µε σαφή πλεονεκτήµατα σε ευρύτερες συχνότητες διαταραχών Ρύθµιση στο σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ. Η ϱύθµιση τάσης/άεργου στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ. γίνεται έµµεσα, επεµβαίνοντας στο OLTC του µετασχηµατιστή ανύψωσης 400kV, ενώ τα δυο συστήµατα διέγερσης ϐρίσκονται σε αυτόµατη λειτουργία (Σχ. 4.26, [8]). Με τον τρόπο αυτό, κάθε αλλαγή ϐήµατος στο OLTC (Σχ. 4.27) οδηγεί σε αναπροσαρµογή των διεγέρσεων, ϕτάνοντας στην επιθυµητή τιµή. Η οδήγηση του OLTC γίνεται από τον ελεγκτή Reg-d, που εκτελεί τον αποκλειστικό έλεγχο τάσης, άεργου και συντελεστή ισχύος, µε εντολές που δίνονται από το DCS. 129

130 Σχήµα 4.26 Η ϱύθµιση τάσης/άεργου/συντ. ισχύος στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ. Σχήµα 4.27 Το OLTC του µετασχηµατιστή ανύψωσης, στο σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ.. 130

131 Ο ελεγκτής REG-D λειτουργεί µε 4 δυνατούς τρόπους, οι οποίοι είναι οι εξής: - έλεγχος τάσης σταθµού στα 6.3kV. Ο έλεγχος αυτός είναι απαραίτητος για την διατήρηση σταθερής τάσης στη διανοµή 6.3kV του σταθµού, που είναι απαραίτητη για τις διαδικασίες εκκίνησης, παύσης και συντήρησης (Σχ. 4.28). - έλεγχος τάσης δικτύου στα 400kV. Ο έλεγχος αυτός διατηρεί σταθερή τάση στην πλευρά των 400kV, και λειτουργεί µόνο όταν ο σταθµός είναι συγχρονισµένος στο δίκτυο (Σχ. 4.28). - έλεγχος άεργου στα 400kV. Ο έλεγχος αυτός διατηρεί την συνολική άεργο ισχύ που ανταλλάσσεται µε το δίκτυο στην τιµή αναφοράς της, όπως καθορίζεται από τον χειριστή, και λειτουργεί µόνο όταν ο σταθµός είναι συγχρονισµένος στο δίκτυο. - έλεγχος συντελεστή ισχύος στα 400kV. Ο έλεγχος αυτός διατηρεί τον συντελεστή ισχύος του σταθµού στην τιµή αναφοράς του, όπως καθορίζεται από τον χειριστή, και λειτουργεί µόνο όταν ο σταθµός είναι συγχρονισµένος στο δίκτυο. Ολες οι παραπάνω λειτουργίες γίνονται αυτόµατα µέσω του ελεγκτή Reg-d. Ωστόσο, ο ελεγκτής µπορεί να λειτουργήσει χειροκίνητα, µε εντολές Raise-Lower από τον χειριστή. Οι µεταβολές του OLTC γίνονται µεταξύ 17 ϑέσεων ( ) σε ϐήµατα του %, και αντιστοιχούν σε διακύµανση τάσης µεταξύ kV, σε διακύ- µανση άεργου µεταξύ MVar, ή σε διακύµανση συντελεστή ισχύος µεταξύ οκιµές Σταθµού και συµµόρφωση µε τον Κώδικα ιαχείρισης Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα της δοκιµαστικής λειτουργίας του σταθµού ΕΝ.ΘΕΣ. που έγιναν στην περίοδο αξιολόγησής του. Ειδικότερα, παρουσιάζονται οι δοκιµές εκείνες που αφορούν τον έλεγχο τάσης/άεργου, τα χα- ϱακτηριστικά ευστάθειας, και αποδεικνύουν την συµµόρφωση της λειτουργίας µε τα άρθρα του Κώδικα ιαχείρισης και Συναλλαγών του ΕΣΜΗΕ [10] Λειτουργία εντός ορίων - ϱύθµιση τάσης/άεργου Η δοκιµή αυτή δείχνει την ικανότητα του σταθµού να διατηρεί σταθερή την τάση στο σηµείο σύνδεσης µε το δίκτυο, µέσω συνεχούς ϱύθµισης. Η ϱύθµιση αυτή γίνεται µέσω του ελεγκτή Reg-d, όπως αναλύθηκε στην ενότητα Ο έλεγχος µπορεί να 131

132 Σχήµα 4.28 Παρακολούθηση των επιπέδων τάσης 400kV και 6.3kV από το DCS. 132

133 Σχήµα 4.29 Ελεγχος τάσης από το Κέντρο Κατανοµής (410kV). Σχήµα 4.30 Ελεγχος άεργου από το Κέντρο Κατανοµής (-130MVar). είναι είτε έλεγχος τάσης (V-control), είτε έλεγχος άεργου (Q-control), ενώ η τιµή αναφοράς του ελέγχου δίνεται είτε από το DCS είτε από το Κέντρο Κατανοµής. Για τους ελέγχους που καθορίζονται από το DCS δεν απαιτείται επίδειξη, αφού η σχεδίαση του σταθµού είναι τέτοια που οι δυο γεννήτριες διατηρούν συνεχώς σταθερή την τάση στους Ϲυγούς τους (15.75kV, 15kV), µέσω των ϱυθµιστών AVR που έχουν. Για τους έλεγχο µέσω του Κέντρου Κατανοµής γίνονται 4 δοκιµές, µεταξύ των ορίων τάσης του δικτύου και των ορίων άεργου του σταθµού, ως εξής: 133

134 σε έλεγχο τάσης (V-control) - το ΚΚ αποστέλλει εντολή ϱύθµισης τάσης στα 410kV, - ως αντίδραση, ο σταθµός µεταβαίνει στα 404kV/263MVar, - το ΚΚ αποστέλλει εντολή ϱύθµισης τάσης στα 390kV, - ως αντίδραση, ο σταθµός µεταβαίνει στα 393kV/-166MVar, σε έλεγχο άεργου (Q-control) - το ΚΚ αποστέλλει εντολή κατανοµής άεργου στα 230MVar, - ως αντίδραση, ο σταθµός µεταβαίνει στα 192MVar/402kV, - το ΚΚ αποστέλλει εντολή κατανοµής άεργου στα -130MVar, - ως αντίδραση, ο σταθµός µεταβαίνει στα -129MVar/394kV. Από τις 4 δοκιµές, δίνονται ενδεικτικά η πρώτη και η τέταρτη στα Σχ. 4.29, Οπως διακρίνεται, ο σταθµός ακολουθεί τις τιµές αναφοράς του ΚΚ, εµφανίζοντας µικρές διαφορές που µπορούν να αποδοθούν στις συνθήκες του δικτύου την στιγµή των δοκιµών. Οι διατάξεις του Κώδικα ιαχείρισης που αφορούν τον έλεγχο τάσης/άεργου είναι οι εξής: Αρθρο 247, π.3,4: Τα επίπεδα ονοµαστικής τάσης συστήµατος ορίζονται σε 400kV και 150kV, και το εύρος διακύµανσης σε κανονική λειτουργία ορίζεται στα kV στο σύστηµα µεταφοράς 400kV. Αρθρο 275, π.19: Οι µονάδες παραγωγής πρέπει να έχουν δυνατότητα ϱύθµισης της τάσης του συστήµατος µε συνεχή ϱύθµιση της τάσης µονάδος µέσω κατάλληλου αυτόµατου ϱυθµιστή τάσης συνεχούς ϱύθµισης. Αρθρο 143: Οι µονάδες µε µέγιστη ικανότητα παραγωγής µεγαλύτερης των 2MW εφόσον είναι συγχρονισµένες στο σύστηµα υποχρεούνται να παρέχουν άεργο ισχύ σύµφωνα µε τις εντολές κατανοµής του διαχειριστή. Για το σκοπό αυτό, το σύστηµα διέγερσης των µονάδων λειτουργεί υπό συνεχή έλεγχο του αυτόµατου ϱυθµιστή τάσης, ο οποίος πρέπει να είναι ϱυθµισµένος κατά τρόπο που εξασφαλίζει σταθερή τάση στους ακροδέκτες της γεννήτριας. εν επιτρέπεται η απενεργοποίηση και ο πε- ϱιορισµός της λειτουργίας του αυτόµατου ϱυθµιστή τάσης. Αρθρο 91, π.6: Οι παραγωγοί πρέπει να επιτρέπουν τη διακύµανση πα- ϱαγωγής άεργου ισχύος των µονάδων υπό τον έλεγχο αυτόµατου ϱυθ- µιστή τάσης ενώ είναι υποχρεωµένοι να συµµορφώνονται µε τις εντολές 134

135 κατανοµής άεργου ισχύος και να τις εφαρµόζουν εντός 2 λεπτών από τη λήψη τους, µε µη συστηµατική απόκλιση από την τιµή παραγωγής που δεν υπερβαίνει τα 2MVar.(...) Η λειτουργία του αυτόµατου ϱυθµιστή τάσης συνιστά τη µόνη περίπτωση κατά την οποία επιτρέπεται µεταβολή στην παραγωγή άεργου ισχύος χωρίς να έχει προηγηθεί εντολή κατανο- µής.(...) Οι παραγωγοί ϱυθµίζουν την λειτουργία του συστήµατος διέγερσης µε σταθερή τάση εξόδου, µε τους περιοριστές άεργου ϕόρτισης σε λειτουργία, και τα συστήµατα σταθερής άεργου ή σταθερού συντελεστή ισχύος απενεργοποιηµένα. Αρθρο 274, π.6: Οι µονάδες παραγωγής µε εγκατεστηµένη ισχύ µεγαλύτερη των 100MW εφοδιάζονται µε συστήµατα αλλαγής τάσης υπό ϕορτίο (OLTC) για το σύνολο των µετασχηµατιστών ανύψωσης που διαθέτουν. Αρθρο 275, π.20: Οι µετασχηµατιστές µονάδων πρέπει να διαθέτουν σύστηµα αλλαγής τάσης υπό ϕορτίο. Το ϐήµα ϱύθµισης δεν επιτρέπεται να µεταβάλλει το λόγο της τάσης στους τερµατικούς Ϲυγούς περισσότερο από 1.6% στα 400kV Ικανότητα παραγωγής άεργου Οι µονάδες παραγωγής, εκτός από την υποχρέωση για εγχύσεις άεργου στο δίκτυο, οφείλουν να την διατηρούν εντός συγκεκριµένων ορίων σε συνθήκες έντονης ϕόρτισης του δικτύου. Οι διατάξεις του Κώδικα ιαχείρισης που αφορούν την ικανότητα παραγωγής άεργου ενός σταθµού είναι οι εξής: Αρθρο 275, παρ.17: Κάθε µονάδα παραγωγής που συνδέεται στα 400kV πρέπει να έχει την ακόλουθη ικανότητα παραγωγής άεργου ισχύος, που µετράται στους πόλους της γεννήτριας: - Για την περιοχή kV, συντελεστής ισχύος µεταξύ των 0.93χωρ επ. στην µέγιστη συνεχή ϕόρτιση, και µεταξύ των 0.7χωρ.- 0.4επ. για το 35% της µέγιστης συνεχούς ϕόρτισης. - Για την περιοχή kV, συντελεστής ισχύος µεταξύ των 1.0χωρ επ. στην µέγιστη συνεχή ϕόρτιση, και µεταξύ των 0.7χωρ.- 0.4επ. για το 35% της µέγιστης συνεχούς ϕόρτισης. Αρθρο 89, παρ.4 α,β: Οταν δίνεται εντολή συγχρονισµού χωρίς εντολή κατανοµής σε MVar, η παραγωγή σε MVar τη στιγµή του συγχρονισµού πρέπει να είναι

136 Σχήµα 4.31 Ροές άεργου ισχύος για οριακές συνθήκες λειτουργίας. Επάνω οι περιπτώσεις 1, 4, και κάτω οι περιπτώσεις 6, 9 του Πιν

137 Πίνακας 4.1: Συµπεριφορά του OLTC για λειτουργία εντός των ορίων του Αρ Τάση δικτύου Ισχύς σταθµού pf σταθµού Θέση kv MW OLTC % 0.85 (lag) % 0.93 (lead) % 0.85 (lag) % 0.93 (lead) % 0.4 (lag) % 0.7 (lead) % 0.4 (lag) % 0.7 (lead) % 1-8 Λόγω της δυσκολίας να επιτευχθούν οι ακραίες τιµές τάσης των 360kV και 420kV στο δίκτυο, η συµµόρφωση του σταθµού ΕΝ.ΘΕΣ. στο Αρ. 275 αποδεικνύεται µε προσοµοίωση της λειτουργίας του για τις 8 δυνατές περιπτώσεις. Τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης δίνονται στον Πιν. 4.1 και ενδεικτικά δίνονται οι ϱοές ισχύος για τις περιπτώσεις 1,3 και 8 (Σχ. 4.31). ιαπιστώνεται ότι το OLTC του µετασχηµατιστή ανύψωσης µπορεί να λειτουργεί στις απαιτούµενες ϕορτίσεις ενεργού ισχύος για τα δεδοµένα επίπεδα τάσης και συντελεστή ισχύος, ενώ σε αρκετές περιπτώσεις έχει επιπλέον περιθώριο µέσω του OLTC. Επιπρόσθετα µε την προσοµοίωση, έγινε δοκιµή παραγωγής άεργου µεταξύ των ακραίων τιµών του σταθµού ( MVar) για 5 επίπεδα ενεργού ισχύος. Θεω- ϱείται ότι οι συγκεκριµένες τιµές της δοκιµής αντιπροσωπεύουν τις συνθήκες του σταθµού όταν λειτουργεί σε στήριξη ϕορτισµένου δικτύου. Στον Πιν. 4.2 δίνονται τα αποτελέσµατα της δοκιµής όπως προκύπτουν για τον αεριοστρόβιλο και τον σταθµό, και ενδεικτικά δίνονται οι περιπτώσεις 1, 4 (Σχ. 4.32). ιαπιστώνεται πως η πα- ϱαγωγή άεργου παρακολουθεί την τιµή αναφοράς της, διατηρώντας τον συντελεστή ισχύος µέσα στα όρια του Αρ Ορισµένες αποκλίσεις µπορούν να αποδοθούν στις συνθήκες και την ϕόρτιση του δικτύου την στιγµή της δοκιµής Ευστάθεια µονάδας Για να διαπιστωθεί η ευστάθεια της µονάδας σε µεταβατικά ϕαινόµενα και η συµ- µόρφωσή της µε τον Κώδικα ιαχείρισης, έγιναν αρκετές προσοµοιώσεις του σταθµού (Σχ. 4.33) σε διάφορες ασταθείς συνθήκες. Ειδικότερα, µελετήθηκε η διατήρηση της ευστάθειας για συγκεκριµένο χρόνο εκκαθάρισης σφαλµάτων, σε περιπτώσεις υπο- 137

138 Σχήµα 4.32 Ροές άεργου ισχύος για 2 επίπεδα ενεργού ισχύος. Οι περιπτώσεις 1,4 του Πιν

139 Πίνακας 4.2: Παραγωγή ενεργού ισχύος για οριακή παραγωγή άεργου. Αεριοστρόβιλος Σταθµός Τιµή αναφοράς P Q pf kv P Q pf kv MVar MW MVar MW MVar Σχήµα 4.33 Το µοντέλο του σταθµού για την προσοµοίωση των µεταβατικών ϕαινο- µένων. Το συγκεκριµένο µοντέλο προσοµοιώνει τις δυο εναέριες γραµµές σύνδεσης µε όµοια ισοδύναµα κυκλώµατα, όπως είχε σχεδιαστεί αρχικά ο σταθµός. διέγερσης, και έπειτα από ϐυθίσεις τάσης. Επίσης, παρουσιάζονται οι δοκιµές του σταθµού που αφορούν την απόρριψη ϕορτίου σε έντονες συνθήκες λειτουργίας. Οι διατάξεις του Κώδικα ιαχείρισης που αφορούν την ευστάθεια µιας µονάδας παραγωγής είναι οι εξής: Αρθρο 247, π.3,4: Κατά τη διάρκεια έκτακτων συνθηκών λειτουργίας ή σφαλµάτων, το εύρος διακύµανσης σε κανονική λειτουργία ορίζεται στα 139

140 kV στο σύστηµα µεταφοράς 400kV. Αρθρο 275, παρ.2 Β- : Οι µονάδες παραγωγής πρέπει να τηρούν τις εξής προδιαγραφές: - συνεχής λειτουργία σε ονοµαστική ισχύ µεταξύ των Hz, - συγχρονισµένες για 60min µεταξύ των Hz, Hz, - συγχρονισµένες για 20sec µεταξύ των Hz, - συγχρονισµένες για 5sec µεταξύ των Hz. Αρθρο 275, π.2 Ζ,Θ: Οι µονάδες παραγωγής πρέπει να παραµένουν συγχρονισµένες µετά την εµφάνιση ϐραχυκυκλώµατος πλησίον του πα- ϱαγωγού κατά τη διάρκεια ϐυθίσεων τάσης στην πλευρά υψηλής τάσης στον µετασχηµατιστή της µονάδας, κατά το 95% της ονοµαστικής τάσης για διάρκεια 0.2sec και ϐυθίσεων τάσης κατά το 50% της ονοµαστικής τάσης για διάρκεια 0.7sec. Αρθρο 275, π.21: Οι µονάδες παραγωγής µε καταχωρηµένη ισχύ µεγαλύτερη των 100MW πρέπει να διαθέτουν σύστηµα προστασίας τους µε χρόνο εκκαθάρισης σφάλµατος µεγαλύτερο από 200msec. Κατά τη διάρκεια του χρόνου αυτού και µετά την εκκαθάρισή του η µονάδα πα- ϱαµένει συγχρονισµένη χωρίς να παρουσιάζεται ολίσθηση πόλων. Ο πα- ϱαγωγός οφείλει να αποτρέπει την πρόκληση αστάθειας ή αποσύνδεσης της µονάδας από το σύστηµα για όλο το εύρος λειτουργίας της µονάδας, που οφείλεται στην εµφάνιση ϐραχυκυκλώµατος κοντά στη µονάδα, όταν η ισχύς ϐραχυκύκλωσης µετά την εκκαθάριση του σφάλµατος από την πλευρά του συστήµατος στο σηµείο σύνδεσης υπερβαίνει κατά 6 ϕορές την ονοµαστική ενεργό ισχύ της µονάδας. Αρθρο 247, π.7,10: Η συνιστώσα αρνητικής ακολουθίας της ϕασικής τάσης του συστήµατος δεν επιτρέπεται να υπερβαίνει το 2% υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας. Το σύστηµα σχεδιάζεται και λειτουργεί διατηρώντας την στάθµη ϐραχυκύκλωσης σε επίπεδο µικρότερο των 40kA στα 400kV. Η µέγιστη τιµή της υποµεταβατικής στάθµης ϐραχυκύκλωσης δεν επιτρέπεται να είναι µεγαλύτερη του 90% των παραπάνω ορίων, και ιδίως για τριφασικά και µονοφασικά ϐραχυκυκλώµατα η σχεδιαζόµενη µέγιστη υποµεταβατική στάθµη ϐραχυκύκλωσης πρέπει να είναι µικρότερη των 36kA στα 400kV.(...) Η διαφορά τάσης µεταξύ υγιούς ϕάσης και γης σε µονοφασικό ϐραχυκύκλωµα δεν πρέπει να υπερβαίνει το 80% της ονοµαστικής διαφοράς τάσης µεταξύ ϕάσεων.(...) Για απλές ανωµαλίες καταστάσεως Ν-1 το µέγιστο ϐήµα µεταβολής µεταξύ τάσεων µόνιµης 140

141 λειτουργίας πριν και µετά την ανωµαλία δεν πρέπει να είναι µεγαλύτερο από 10%. Αρθρο 268, π.4: Οταν σε ορισµένη µονάδα παραγωγής δεν µπορεί να προληφθεί η ολίσθηση πόλων σε συνέχεια ϐραχυκυκλώµατος στο σύστη- µα, η µονάδα παραγωγής αποσυνδέεται µέσω της προστασίας της γεννήτριας, ώστε να προλαµβάνονται οι κίνδυνοι επιπτώσεων στο σύστηµα και στη γεννήτρια. Στις επόµενες ενότητες αποδεικνύεται ότι ο σταθµός πληρεί τις προδιαγραφές του Κώδικα ιαχείρισης, και παρουσιάζει ευσταθή συµπεριφορά κατά τα ϑεωρούµενα µεταβατικά ϕαινόµενα. Εκκαθάριση σφαλµάτων Η πρώτη προσοµοίωση περιλαµβάνει την λειτουργία του σταθµού στα επίπεδα των 80% και 100% της ονοµαστικής ισχύος, µε τις δυο γραµµές του µοντέλου συνδεδεµένες και την τάση στον άπειρο Ϲυγό σταθερή στο 1pu. Το σενάριο περιλαµβάνει τριφασικό σφάλµα µε ισχύ ϐραχυκύκλωσης 8.75GW, σε µια γραµµή µε άνοιγµά της σε 200msec και 250msec χωρίς επανασύνδεση. ιαπιστώνεται πως ο σταθµός διατηρεί τον συγχρονισµό µετά την εκκαθάριση του σφάλµατος σε όλες τις περιπτώσεις, όπως απαιτεί το Αρ. 275, π.21. Ενδεικτικά, στο Σχ απεικονίζεται η περίπτωση 100%/200msec. Η δεύτερη προσοµοίωση περιλαµβάνει το ίδιο σενάριο αλλά µε σοβαρότερο σφάλ- µα, ώστε να υπάρξει ισχύ ϐραχυκύκλωσης ίση µε το εξαπλάσιο της ονοµαστικής ισχύος του σταθµού (2.37GW) µετά την εκκαθάριση του σφάλµατος. ιαπιστώνεται πως ο συγχρονισµός διατηρείται µε ασφάλεια όπως απαιτεί το Αρ. 275, π.21. Ενδεικτικά, στο Σχ απεικονίζεται η περίπτωση 100%/250msec. 141

142 142 Σχήµα 4.34 Ελεγχος ευστάθειας για χρόνο εκκαθάρισης 200msec και παραγωγή 100%.

143 143 Σχήµα 4.35 Ελεγχος ευστάθειας για χρόνο εκκαθάρισης 250msec, παραγωγή 100% και ισχύ ϐραχυκύκλωσης 2.37GW.

144 Υποδιέγερση Παρόµοια µελέτη έγινε για ακόµη µια µεταβατική συνθήκη, αυτήν της υποδιέγερσης. Στο αρχικό µοντέλο προσοµοίωσης ϑεωρήθηκε ότι οι γεννήτριες λειτουργούν υποδιεγερµένες στα επίπεδα των -60MVar (GT) και -50MVar (ST), για χρόνους εκκαθάρισης στα 200 και 250msec, επίπεδα παραγωγής στα 80% και 100%, και ισχύ ϐραχυκύκλωσης στα 8.75GW και 2.37GW. Από τις προσοµοιώσεις αποδεικνύεται πως όλοι οι δυνατοί συνδυασµοί διατηρούν την ευστάθεια της µονάδας. Βυθίσεις τάσης Στο αρχικό µοντέλο προσοµοίωσης µε παραγωγή 100%, µελετήθηκαν οι ϐυθίσεις τάσης όπως διατυπώνονται στο Αρ. 275, π.2 του Κώδικα ιαχείρισης. ιαπιστώνεται ότι για τις ϐυθίσεις του 95% της ονοµαστικής τάσης µε διάρκεια 0.2sec, η µονάδα παραµένει ευσταθής µε επιπλέον περιθώριο ϕόρτισης. Αυτό ισχύει και για τις χρονικά εκτενείς ϐυθίσεις του 50% της ονοµαστικής τάσης µε διάρκεια 1.5sec, όπου επίσης διατηρείται η ευστάθεια. Ενδεικτικά, στο Σχ απεικονίζεται η περίπτωση 50%/1.5sec. 144

145 145 Σχήµα 4.36 Ελεγχος ευστάθειας σε ϐύθιση τάσης 50% και χρόνο εκκαθάρισης 1.5sec.

146 Πλήρης απόρριψη ϕορτίου Η δοκιµή αυτή αποδεικνύει την ικανότητα του σταθµού να διατηρείται σε σταθερή κατάσταση λειτουργίας του, µετά την απότοµη αποσύνδεση από το δίκτυο. Τέτοια ενέργεια απαιτείται από τον Κώδικα ιαχείρισης (Αρ. 268, π.4) όταν η µονάδα δεν µπορεί να ανταποκριθεί σε µεταβατικά ϕαινόµενα. Στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ., η πλήρης απόρριψη γίνεται στις εξής διαταραχές [8]: - black-out στο δίκτυο, - σφάλµα στον υποσταθµό 400kV, ακολουθεί αποσύνδεση των γεννητριών από τους διακόπτες 52G, - σφάλµα εκτός του υποσταθµού 400kV, ακολουθεί αποσύνδεση του διακόπτη 400kV, οι γεννήτριες παραµένουν συνδεδεµένες, - αναγκαστική διακοπή (trip) του αεριοστροβίλου ή του λέβητα. Το σενάριο της δοκιµής περιλαµβάνει λειτουργία του σταθµού σε baseload, πριν την απόρριψη ϕορτίου. Η απόρριψη εκκινείται µε το άνοιγµα (manual) του διακόπτη 400kV, ο αεριοστρόβιλος περνάει σε ισόχρονο έλεγχο για κάλυψη της ιδιοκατανάλωσης, ενώ η λειτουργία του ατµοστροβίλου διακόπτεται (trip). Εξαιρείται η περίπτωση αναγκαστικής διακοπής του αεριοστροβίλου, µετά την οποία περνάει σε ελεγχόµενο shut-down. Το αποτέλεσµα της δοκιµής απεικονίζεται στο Σχ Οι διατάξεις του Κώδικα ιαχείρισης που αφορούν την απόρριψη ϕορτίου µιας µονάδας παραγωγής είναι οι εξής: Αρθρο 268, π.4: Οταν σε ορισµένη µονάδα παραγωγής δεν µπορεί να προληφθεί η ολίσθηση πόλων σε συνέχεια ϐραχυκυκλώµατος στο σύστη- µα, η µονάδα παραγωγής αποσυνδέεται µέσω της προστασίας της γεννήτριας, ώστε να προλαµβάνονται οι κίνδυνοι επιπτώσεων στο σύστηµα και στη γεννήτρια. Αρθρο 275, παρ.13: Οταν ο χρόνος εκκίνησης µιας µονάδας παραγωγής υπερβαίνει τα 30 λεπτά, ϑα πρέπει να υπάρχει κατάλληλος σχεδιασµός ώστε να έχει την ικανότητα όταν διακόπτεται η σύνδεση µε το Σύστηµα, να περιορίζεται η παραγωγή της ώστε να καλύπτονται µόνο τα ϕορτία ϐοηθητικών. 146

147 147 Σχήµα 4.37 Πλήρης απόρριψη ϕορτίου.

148 Μερική απόρριψη ϕορτίου Παράλληλα µε την πλήρη απόρριψη ϕορτίου, στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ. υλοποιείται η µερική απόρριψη, για τις εξής διαταραχές [8]: - σφάλµα στο κύκλωµα ατµού του ατµοστροβίλου, - αναγκαστική διακοπή (trip) του ατµοστροβίλου. Το σενάριο της δοκιµής περιλαµβάνει λειτουργία του σταθµού σε baseload, πριν την απόρριψη ϕορτίου. Η απόρριψη εκκινείται µε την ενεργοποίηση (manual) διακοπής του ατµοστροβίλου, ο αεριοστρόβιλος διατηρείται σε baseload, η λειτουργία του ατµοστροβίλου διακόπτεται (trip), και η παραγωγή ατµού διοχετεύεται κατά 100% στον συµπυκνωτή. Το αποτέλεσµα της δοκιµής απεικονίζεται στο Σχ Η διαφορά πλήρους και µερικής απόρριψης ϕορτίου µαζί µε την περίπτωση αναγκαστικής διακοπής της µονάδας, όπως υλοποιούνται στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ. δίνονται στο Σχ

149 149 Σχήµα 4.38 Μερική απόρριψη ϕορτίου.

150 Σχήµα 4.39 Απόρριψη ϕορτίου και αναγκαστική διακοπή στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ.. 150

151 Κεφάλαιο 5 Προστασία Μονάδας 5.1 Προστασία στροβίλου Το σύστηµα της προστασίας στροβίλου έχει τον ϱόλο της συνεχούς παρακολούθησης παραµέτρων, προκειµένου να αποφευχθούν αντικανονικές συνθήκες λειτουργίας, καταστρεπτικές για τον στρόβιλο. Οι κυριότερες παράµετροι που ελέγχονται είναι η ταχύτητα, η ϑερµοκρασία, οι δονήσεις του άξονα, η κατάσταση στους ϑαλάµους καύσης και η πίεση του συµπιεστή. Ορισµένες παράµετροι παρακολουθούνται κατά την εκκίνηση και την παύση, ενώ άλλες παρακολουθούνται µόνο σε ιδιαίτερες περιπτώσεις. Ως συνηθέστερη αιτία σφάλµατος αναφέρεται η αστοχία αισθητήρων ή των κυκλωµάτων τους. Το συνολικό σύστηµα έχει τη δυνατότητα ανίχνευσης τέτοιων αστοχιών, και ενεργεί ανάλογα µε την σοβαρότητά τους. Η λειτουργία του στροβίλου διακόπτεται µόνο σε κρίσιµες περιπτώσεις, είτε λόγω υπερβολικών τιµών είτε λόγω απώλειας επιβεβαιωµένης µέτρησης Υπερτάχυνση Η υπερτάχυνση (overspeed) είναι η υπέρβαση της οριακής γωνιακής ταχύτητας του άξονα του στροβίλου. Είναι µια αντικανονική συνθήκη που ϕέρνει τον στρόβιλο σε λειτουργία έξω από την προβλεπόµενη, και προκαλείται από πληθώρα αιτιών, όπως ελλατωµατική ϱύθµιση καυσίµου, λανθασµένες µετρήσεις µεγεθών, αστοχία εξοπλισµού, κ.α. Μεγάλη είναι και η επίδραση του ηλεκτρικού ϕορτίου, αφού σε µια απότοµη απόρριψή του η ϱοπή πέδησης που αυτό εισάγει εξαφανίζεται, και ο άξονας επιταχύνεται απότοµα. Τα συµπτώµατα της υπερτάχυνσης είναι διαστολές του άξονα, των πτερυγίων του στροβίλου και του συµπιεστή ή πιθανές δονήσεις. Γενικότερα, η υπερτάχυνση είναι µια συνθήκη που, αν και επικίνδυνη, συµβαίνει σπάνια λόγω των συστηµάτων ελέγχου και προστασίας. 151

152 5.1.2 Υπερθέρµανση Η υπέρβαση των ορίων ϑερµοκρασίας της καύσης είναι µια επικίνδυνη λειτουργία για το στρόβιλο, αφού λειτουργεί σε περιοχές για τις οποίες τα τµήµατά του δεν είναι σχεδιασµένα. Λόγω απρόβλεπτων και ανεξέλεγκτων διαστολών και πιθανών πα- ϱαµορφώσεων, η λειτουργία διακόπτεται άµεσα. Άλλωστε, σε κανονικές συνθήκες, η ϑερµοκρασία των καυσαερίων 1 χρησιµοποιείται και για την ϱύθµιση καυσίµου. Η προστασία επεµβαίνει µόνο όταν η ϱοή καυσίµου ή η ϑερµοκρασία καυσαερίων υπερβεί τα όρια. Συνήθως, αυτό συµβαίνει σε αποτυχία της ϱύθµισης καυσίµου, του συστήµατος καύσης, ή λόγω αστοχίας ϑερµοζευγών Παρακολούθηση ϕλόγας Η παρακολούθηση ϕλόγας εκτελεί δυο ϱόλους στην λειτουργία του στροβίλου. Κατά την ανάφλεξη στην εκκίνηση, ανιχνεύεται η ύπαρξη σταθερής ϕλόγας στους ϑαλάµους καύσης, επιτρέποντας την συνέχιση της εκκίνησης. Στην περίοδο της ανά- ϕλεξης, είναι αναγκαία η καταγραφή της κατάστασης της ϕλόγας διότι είναι ιδιαίτερα ασταθής και επιρρεπής στην σβέση. Επιπλέον, αν κατά τη λειτουργία του στροβίλου ανιχνευθεί απώλεια ϕλόγας, διακόπτεται άµεσα η παροχή καυσίµου, αφού η συσσώ- ϱευσή του χωρίς καύση δηµιουργεί στάσιµα εκρηκτικά µείγµατα στις διαδροµές του στροβίλου και στον λέβητα. Τότε, ακολουθείται κύκλος εκκένωσης καυσίµου (purge cycle), και νέα διαδικασία εκκίνησης Παρακολούθηση καύσης και συµπιεστή Πιθανές ϐλάβες στους ϑαλάµους καύσης και στα περιφερειακά συστήµατά τους, καθώς και συνεχής λειτουργία σε τέτοιες συνθήκες µπορούν να προκαλέσουν εκτενείς ϕθορές στο στρόβιλο, συχνά ανεπανόρθωτες. Επίσης, η πλήρης µίξη αέρα και καυσίµου και η απρόσκοπτη ϱοή του µίγµατος από την διαδροµή καύσης πρέπει να λειτουργούν απροβληµάτιστα, αφού έτσι εξασφαλίζεται η µακροχρόνια αντοχή του στροβίλου. Για τα συστήµατα που χρησιµοποιούν πετρέλαιο αντί ϕυσικού αερίου, η διαδικασία είναι πιο πολύπλοκη, αφού για την καύση χρησιµοποιείται νερό που συχνά σβήνει την ϕλόγα, οδηγώντας σε λάθος συµπεράσµατα για το σύστηµα καύσης. Παράλληλα, είναι αναγκαίο να παρακολουθούνται τα µεγέθη του συµπιεστή (λόγος πιέσεων εισαγωγής-εξαγωγής, ϑερµοκρασία αέρα, γωνία πρόσπτωσης, κ.α.), αφού το σηµείο λειτουργίας του µπορεί να ϐρεθεί εκτός των συνθηκών σχεδιασµού, 1 Για τους υπολογισµούς ϱυθµίσεων και προστασίας, χρησιµοποιείται η ϑερµοκρασία καυσαερίων αφού δεν είναι πρακτικά µετρήσιµη η ϑερµοκρασία καύσης. 152

153 και να οδηγήσει σε ανεπιθύµητα ϕαινόµενα (stall, choked flow). Κατά τα ϕαινόµενα αυτά, η απόδοση του συµπιεστή πέφτει δραµατικά, παρουσιάζονται δονήσεις στα πτερύγιά του λόγω υπερφόρτισής, ενώ παρατεταµένη λειτουργία στην περιοχή αυτή µπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή του συµπιεστή ονήσεις άξονα Η συνεχής παρακολούθηση των δονήσεων σε συγκεκριµένα σηµεία του άξονα και των εδράνων δίνει µια αντιπροσωπευτική εικόνα της κατάστασης του εξοπλισµού. Η έγκαιρη αναγνώριση των προβληµάτων όπως ανισσοροπία, απώλεια ευθυγράµµισης, ϱαγίσµατα του άξονα, αστοχία εδράνων κ.α., συνεισφέρει στην ϐέλτιστη διαχείριση της µονάδας. Συγκεκριµένα, καταγράφονται µετρήσεις που αφορούν τα εξής µεγέθη: - διαµήκης κίνηση του άξονα σε σχέση µε το έδρανο ϑλίψης/εφελκυσµού (thrust bearing, Σχ. 5.6), - διαφορική διαστολή, µια µέτρηση της ϑέσης του άξονα σε σχέση µε το κέλυφος του στροβίλου. ίνει την ϑερµική διαστολή ή συστολή του άξονα, - εκκεντρότητα του άξονα. ίνει το λύγισµα του άξονα που οφείλεται σε µηχανικές καταπονήσεις, σε προσωρινή ϑερµοκρασιακή διαστολή ή λόγω ακινησίας (gravity bow), - δραστηριότητα εδράνου. ίνει την κατάσταση των εδράνων του άξονα, την ϕόρτισή τους και την απώλεια ευθυγράµµισής τους, µε χρήση ϕίλτρων (LPF, BPF, HPF), - ταχύτητα κελύφους. ίνει χαρακτηριστικές αποκρίσεις αδρανειακών και σεισµικών αισθητήρων από µετρήσεις στο κέλυφος του στροβίλου, - επιτάχυνση κελύφους. ίνει αποκρίσεις υψηλών συχνοτήτων του κελύφους ή των εδράνων, µέσω επιταχυνσιόµετρου. Οι δονήσεις αυτές προέρχονται από ϕθορές στα πτερύγια συµπιεστή και στροβίλου, σύµπλεξη γραναζιών, αστοχίες περιστρεφόµενου εξοπλισµού κ.α., - απόλυτη δόνηση άξονα. ίνει την δόνηση του άξονα σε σχέση µε το κέλυφος, ενώ χρησιµοποιεί 2 µετρήσεις, από τον αισθητήρα εγγύτητας και τον αισθητήρα ταχύτητας. Με τον τρόπο αυτό, παρέχονται οι µετρήσεις ακτινικής απόκλισης του άξονα, δυναµικής κίνησης του άξονα και δόνησης του κελύφους, - ακτινική δόνηση. ίνει την δυναµική κίνηση του άξονα κατά την κάθετη διεύ- ϑυνση σαυτόν. 153

154 Σχήµα 5.1 Αισθητήρες γωνιακής ταχύτητας άξονα. Ο οδοντωτός δακτύλιος του άξονα που χρησιµεύει για την µέτρηση της γωνιακής του ταχύτητας, τοποθετηµένος στο σηµείο σύνδεσης του στροβίλου µε τη γεννήτρια (load coupling). ιακρίνονται 6 αισθητήρες, 3 για το Κύριο σύστηµα προστασίας του Speedtronic (VTUR), και 3 για το Επείγον σύστηµα (VPRO). 5.2 Το σύστηµα προστασιών στροβίλου της General Electric Η υλοποίηση της προστασίας του στροβίλου γίνεται παρακολουθώντας είτε µετρούµενα µεγέθη (πίεση, ϱοή, κλπ), είτε πολυπλοκότερες µεταβλητές µέσω αλγορίθ- µων ελέγχου. Ορισµένα συστήµατα ενεργούν µέσω του ϱυθµιστή στροφών, ενώ άλλα ενεργούν απευθείας στον στρόβιλο. Σε κάθε περίπτωση, παρέχονται 2 ανεξάρτητοι τρόποι επέµβασης, µέσω της ϐαλβίδας SRV και της ϐαλβίδας GCV [7]. Το πρωταρχικό µέσο που καθορίζει την γωνιακή ταχύτητα του άξονα είναι οι αλγόριθµοι κλειστού ϐρόγχου του Speedtronicπου, υπολογίζοντας την τιµή καυσί- µου FSR, ϱυθµίζουν την ταχύτητα. Αν για οποιοδήποτε λόγο η ϱύθµιση δεν είναι επιτυχής, τον έλεγχο αναλαµβάνουν το Κύριο και το Επείγον σύστηµα προστασίας, περιορίζοντας τις µηχανικές καταπονήσεις του στροβίλου. Οταν αυτά δώσουν την εντολή διακοπής, ο στρόβιλος οδηγείται σε µηδενική ταχύτητα (shutdown). Οποιαδήποτε εντολή επανεκκίνησης πρέπει να δοθεί έπειτα από εκτενή αναζήτηση του αιτίου που οδήγησε στην υπερτάχυνση. Το Κύριο σύστηµα προστασίας υλοποιείται στην µονάδα VTUR του Speedtronic, µε λογική TMR και συµψηφισµό 2 εκ των 3 εισόδων από τους αισθητήρες ταχύτητας. Η τιµή διακοπής είναι ορισµένη στο 110% της ονοµαστικής ταχύτητας. Μετά την διακοπή, όλες οι τιµές αναφοράς ϕορτίου και ταχύτητας επαναφέρονται στο 0%. 154

155 Σχήµα 5.2 ιάταξη προστασίας υπερτάχυνσης. Στην περίπτωση αποτυχίας του Κύριου συστήµατος προστασίας, τον έλεγχο παίρνει το Επείγον σύστηµα. Μέσω 3 αισθητήρων εισάγονται οι µετρήσεις γωνιακής ταχύτητας σε 3 ξεχωριστές µονάδες. Σε κάθε µονάδα υπάρχει ϱύθµιση του ορίου διακοπής στο 110% της ταχύτητας, µέσω καλωδιωµένης λογικής (jumpers). Χωρίς συµψηφισµό ή διασυνδέσεις µεταξύ τους, αν µια µονάδα διαγνώσει υπερτάχυνση διακόπτει άµεσα την λειτουργία, παρέχοντας έναν ταχύτατο τρόπο προστασίας, 4 ϕορές γρηγορότερα από το Κύριο σύστηµα. Η General Electric παρέχει µέσω του Speedtronic έναν αλγόριθµο δοκιµής της προστασίας. Θέτοντας το όριο ασφαλείας του Κύριου συστήµατος στο 113%, ο στρόβιλος αυξάνει την ταχύτητά του πάνω από το 110%. Σε άρτια λειτουργία του συνόλου, το σύστηµα επείγουσας προστασίας αναµένεται να διακόψει την λειτουργία στο 110% της ταχύτητας (Σχ. 5.3). Ο έλεγχος ϑερµοκρασίας γίνεται µέσω των 31 ϑερµοζευγών τύπου Κ, στην εξαγωγή καυσαερίων του αεριοστροβίλου (Σχ. 5.4). Το σύστηµα προστασίας υπολογίζει τον µέσο όρο των ϑερµοζευγών, αποκλείοντας την ανώτερη και κατώτερη τιµή τους. Αν η τιµή αυτή υπερβεί το πρώτο όριο δίνεται προειδοποίηση υπερθέρµανσης, επιτρέποντας στον χειριστή την µείωση παραγωγής για να αποφευχθεί η διακοπή. Αν η µέση τιµή υπερβεί και το δεύτερο όριο, διακόπτεται αναγκαστικά η λειτουργία. Για την κατάσταση της ϕλόγας στους ϑαλάµους καύσης, χρησιµοποιούνται 4 αισθητήρες υπεριώδους ακτινοβολίας (Σχ. 5.5). Αυτή προκύπτει από την καύση υδρογονανθράκων και είναι πιο εύκολα ανιχνεύσιµη από το ορατό ϕως, που µεταβάλλεται σε ϕωτεινότητα και ένταση, ενώ δεν επηρεάζεται από καπνό ή υγρασία. Η ϕωτοδίοδος των αισθητήρων είναι κατασκευασµένη από καρβίδιο του πυριτίου (SiC), και η κατασκευή είναι τέτοια που να αντέχει στην πίεση και ϑερµοκρασία εκτόνωσης (150 o C χωρίς ψύξη) του συµπιεστή. Οι αισθητήρες δίνουν ένδειξη 4-20mA µε συχνότητα που 155

156 Σχήµα 5.3 Η δοκιµή της προστασίας υπερτάχυνσης από την εφαρµογή Cimplicity. 156

157 Σχήµα 5.4 Θερµοζεύγη για την µέτρηση ϑερµοκρασίας καυσαερίων. υο όψεις των 31 ϑερµοζευγών στην περιφέρεια της εξόδου των καυσαερίων. Αριστερά, τοποθετηµένα σε νέα µονάδα, και δεξιά σε µονάδα που έχει λειτουργήσει. Στο ϐάθος της τελευταίας διακρίνεται η 3η ϐαθµίδα του στροβίλου. Σχήµα 5.5 Αισθητήρας ϕλόγας και σπινθηριστής ανάφλεξης. Αριστερά, ο ένας από τους δυο αισθητήρες ϕλόγας του αεριοστροβίλου, τοποθετηµένος σε έναν από τους 18 ϑαλάµους καύσης, µε ψύξη νερού (διακρίνονται οι σωληνώσεις κυκλοφορίας και ο µανδύας ψύξης). Επίσης, ανάµεσα στους 2 ϑαλάµους διακρίνεται ο σωλήνας διαδοχής ϕλόγας (crossfire tube), που µεταδίδει την αρχική ϕλόγα από τον ϑάλαµο µε τον σπινθηριστή στους υπόλοιπους. εξιά, ο ένας από τους δυο σπινθηριστές ανάφλεξης, τοποθετηµένος στον ϑάλαµο καύσης. Με την εντολή ανάφλεξης, ο σπινθηριστής εισάγεται στον ϑάλαµο για όσο διάστηµα καθορίζει η ακολουθία του Speedtronic, και εξάγεται στο τέλος της, όταν ανιχνευθεί ϕλόγα στους ϑαλάµους. µεταβάλλεται ανάλογα µε την ένταση, και συνδέονται στο Speedtronic µε λογική που ϑεωρεί ύπαρξη ϕλόγας αν τουλάχιστον 2 αισθητήρες δίνουν ένδειξη. Η αναγνώριση προβληµατικής καύσης γίνεται µε την παρακολούθηση των καυσαερίων µέσω των ϑερµοζευγών. Τυχόν µεγάλες διαφορές ή ασυµµετρίες στις τιµές τους περιορίζουν το πρόβληµα σε συγκεκριµένους ϑαλάµους καύσης, κάνοντας ευκολότερη την ανίχνευσή του. Γίνεται αντιληπτό πως, η καλή κατάσταση των ϑερµοζευγών εξασφαλίζει την εξαγωγή συµπερασµάτων για πολλές διαδικασίες του στροβίλου. Σε ότι αφορά τον συµπιεστή, η λειτουργία του κρατείται µέσα στα προκαθορισµέ- 157

158 να όρια µε συνεχή µέτρηση του λόγου πιέσεων εισαγωγής-εξαγωγής και αντίστοιχες ϱυθµίσεις στις ϐαλβίδες IGV και Bleed valve. Τα ϕαινόµενα επικίνδυνης λειτουργίας ανιχνεύονται από τις απότοµες πτώσεις του λόγου πιέσεων και ενεργοποιούν την προστασία. Για τον χειρισµό των ϐαλβίδων, το Speedtronic εφαρµόζει ειδικό αλγόριθµο που ακολουθεί µια γραµµική χαρακτηριστική γωνίας-ταχύτητας, σύµφωνα µε τις µετρήσεις που εισάγονται από τους αισθητήρες πίεσης του συµπιεστή. Λόγω της ση- µασίας του µεγέθους της πίεσης, οι αισθητήρες είναι σε λογική TMR εξασφαλίζοντας µέγιστη διαθεσιµότητα και συνεχή προστασία. Από τους τύπους ταλαντώσεων που διατίθενται για παρακολούθηση, στην συγκεκριµένη εφαρµογή καταγράφεται η διαφορική διαστολή, η εκκεντρότητα και η διαµήκης κίνηση του άξονα. Οι αισθητήρες διοχετεύουν τα δεδοµένα µε παράλληλη σύνδεση στο Speedtronic και στο σύστηµα επεξεργασίας και ανάλυσης Bently Nevada 3500, µέσω 4 αναλογικών καναλιών. Οι υπολογισµοί και η λογική προστασίας υλοποιούνται στο Speedtronic, συγκρίνοντας τις µετρούµενες τιµές µε τα όρια ασφαλείας. Περαιτέρω ανάλυση αρµονικών και στατιστική επεξεργασία γίνεται στο BN 3500, δίνοντας έτσι ένα ανεξάρτητο σχήµα προστασίας και µετρήσεων. Τα ση- µεία που παρακολουθούνται είναι ο στρόβιλος, η γεννήτρια, η σύνδεσή τους (load coupling) και διάφορα πιο λεπτοµερή σηµεία. Οι κύριες ενέργειες του Speedtronic στις ταλαντώσεις είναι οι εξής: - Προειδοποίηση υψηλών δονήσεων, όταν οποιαδήποτε µέτρηση υπερβεί το όριο ασφαλείας της για συγκεκριµένο χρόνο. - Αναγκαστική διακοπή ή παύση λόγω υψηλών δονήσεων, όταν όλοι οι αισθητή- ϱες έχουν αστοχήσει. - Αναγκαστική παύση λειτουργίας (shutdown), όταν ένας αισθητήρας δίνει ένδειξη πάνω από το επίπεδο προειδοποίησης, και ένας γειτονικός του δίνει ένδειξη πάνω από το επίπεδο παύσης λειτουργίας. - Αναγκαστική διακοπή (trip), όταν υπάρχουν οι συνθήκες αναγκαστικής παύσης και οποιοσδήποτε αισθητήρας δίνει ένδειξη πάνω από το επίπεδο διακοπής. Τα παραπάνω συστήµατα παρακολουθούν τις κυριότερες παραµέτρους του στρο- ϐίλου, προκειµένου να επέµβουν σε περίπτωση ανάγκης. Μεταξύ των συστηµάτων αυτών και των ϐαλβίδων καυσίµου, η General Electric υλοποιεί το Σύστηµα Αναγκαστικής ιακοπής Λαδιού (Trip Oil System), µε αποκλειστικό σκοπό την άµεση διακοπή καυσίµου στο στρόβιλο, αν δοθεί εντολή από τα συστήµατα προστασίας του. Το σύστηµα αυτό λειτουργεί υδραυλικά, διακόπτοντας την πίεση λαδιού στις ση- µαντικότερες ϐαλβίδες του στροβίλου, οι οποίες είναι σχεδιασµένες να ανοίγουν υπό 158

159 Σχήµα 5.6 Εδρανο µέτρησης ϑλίψης-εφελκυσµού άξονα (Thrust bearing). Σχήµα 5.7 Το πλήρες σύστηµα προστασίας του στροβίλου. πίεση λαδιού, και να επαναφέρονται µέσω ελατηρίων σε κλειστή ϑέση, όταν διακόπτεται η πίεση. Με τον τρόπο αυτό παρέχεται ένας ασφαλής-στην-αποτυχία 2 τρόπος λειτουργίας, που αποµονώνει το καύσιµο σε διακοπές ϱεύµατος, πίεσης περιφερειακών κ.α.. Σε περίπτωση εντολής για αναγκαστική διακοπή, το σύστηµα µέσω της πίεσης λαδιού, διακόπτει την ϱοή στην ϐαλβίδα πίεσης αερίου SRV, στην ϐαλβίδα πίεσης πετρελαίου (αν ο στρόβιλος καίει πετρέλαιο), και στην ϐαλβίδα παροχής αέρα IGV. 5.3 Προστασία γεννήτριας Η προστασία γεννήτριας είναι ένα ϑέµα που απέκτησε ϐαρύτητα την τελευταία δεκαετία. Εως τότε, επικρατούσε η αντίληψη ότι η λειτουργία της γεννήτριας είναι αρκετά αξιόπιστη, σε σχέση µε άλλα τµήµατα του δικτύου, ή ακόµη, ότι οι σωστές συνθήκες λειτουργίας µπορούν να καλύψουν τα ϑέµατα προστασίας της. Άλλωστε, η γνώση ϑεµάτων όπως η απρόσεκτη ενεργοποίηση και η προστασία στάτη 100% δεν ήταν επαρκής - η πλήρης κατανόηση και εµβάθυνσή τους έγινε τα τελευταία χρόνια. Σε αντίθεση µε τα παραπάνω, η λειτουργία της γεννήτριας πράγµατι αποτυγχά- 2 Fail-safe operation. 159

160 νει, και αυτό οφείλεται είτε σε ϐραχυκυκλώµατα, είτε σε αντικανονικές ηλεκτρικές συνθήκες. Μια µη αναγκαία διακοπή της λειτουργίας είναι ανεπιθύµητη για σταθ- µούς παραγωγής, αλλά οι επιπτώσεις του σφάλµατος είναι καταστρεπτικές, αν δεν διακοπεί η λειτουργία. Το κόστος τέτοιας αποτυχίας δεν είναι µόνο η επιδιόρθωση της µηχανής (αν αυτό είναι δυνατό), αλλά και το κόστος ενέργειας για το διάστηµα εκτός λειτουργίας, σε σταθµούς µε ιδιοκατανάλωση. Ακόµη, η προστασία πρέπει να ϐαρύνει αποκλειστικά αυτοµατισµούς και ηλεκτρονικούς µηχανισµούς, και όχι τον χειριστή και τις ενέργειές του. Τα ϕαινόµενα εξελίσσονται ιδιαίτερα γρήγορα, και η άµεση αναγνώριση και αποµόνωσή τους καλύπτονται µόνο από αυτόµατες διαδικασίες. Οι κανόνες προστασίας γεννητριών συνοψίζονται στο πρότυπο IEEE/ANSI C37, µε έµφαση στους σταθµούς παραγωγής. Το 1995 το πρότυπο αυτό ενισχύθηκε από το κείµενο IEEE 95 TP-102 [12], από κοινή επιτροπή ϐασισµένη στην πολυετή εµπειρία που αποκοµίστηκε από την λειτουργία γεννητριών ανά τον κόσµο. Το κύριο µαθηµατικό εργαλείο για την αναγνώριση σφαλµάτων και υπολογισµού ϐραχυκυκλωµάτων είναι η ανάλυση συµµετρικών συνιστωσών του ϱεύµατος. Η ορθή συνιστώσα χρησιµοποιείται για υπολογισµό του ϱεύµατος ϐραχυκύκλωσης, άλλων ϱευµάτων σφάλµατος και των συνθηκών ευστάθειας. Η ανάστροφη συνιστώσα ϐοηθά στον υπολογισµό τιµών που αντιστοιχούν σε συχνότητες διαφορετικές της ονοµαστικής, ενώ η οµοπολική συνιστώσα χρησιµοποιείται στον υπολογισµό σφαλµάτων προς γη Τύποι διακοπών (tripping schemes) Η προστασία της γεννήτριας είναι ένα µεγάλο και πολύπλοκο ϑέµα, µε ευαίσθητα σηµεία και συχνά, επικάλυψη συνθηκών λειτουργίας και προστασίας. Η διαδικασία διακοπής πρέπει να αντιµετωπίζεται µε µεγάλη προσοχή, ώστε να προστατέψει τον εξοπλισµό χωρίς Ϲηµιές, και να προσφέρει γρήγορη επαναφορά σε λειτουργία. Για τους λόγους αυτούς, έχουν αναπτυχθεί 4 κύριοι τρόποι αναγκαστικής διακοπής µιας γεννήτριας. - Ταυτόχρονη ιακοπή (Sequential tripping). Είναι ο πιο γρήγορος και ασφαλής τρόπος για την αποµόνωση της µηχανής. Χρησιµοποιείται για τα εσωτερικά σφάλµατά της και για έντονες ανωµαλίες στην κοντινή περιοχή της. Περιλαµ- ϐάνει την ταυτόχρονη απόζευξη της γεννήτριας από το δίκτυο, την διακοπή διέγερσής της, αλλά και την διακοπή παροχής στον στρόβιλο. - ιακοπή Γεννήτριας (Generator tripping). Παρόµοια µε την παραπάνω µέθοδο, αλλά µε διατήρηση της παροχής στον στρόβιλο. Χρησιµοποιείται σε διαταραχές 160

161 δικτύου, όταν αυτές µπορούν να διορθωθούν γρήγορα, ώστε η γεννήτρια να επανασυνδεθεί άµεσα. - Αποσύνδεση Γεννήτριας (Unit separation). Γίνεται µόνο απόζευξη της γεννήτριας, µε άλλα λόγια, µόνο απόρριψη ϕορτίου. Χρησιµοποιείται πάλι σε διαταραχές δικτύου (υποσυχνότητα), όπου χρειάζεται η διατήρηση λειτουργίας για ιδιοκαταναλώσεις και άµεση επανασύνδεση στο δίκτυο. Βέβαια, η µονάδα πρέπει να είναι σχεδιασµένη για τέτοια λειτουργία (runback operation). - Ακολουθιακή ιακοπή (Sequential tripping). Αποσυνδέεται η γεννήτρια, η διέγερση και διακόπτεται η παροχή, όµοια µε την Ταυτόχρονη διακοπή. Εδώ όµως χρησιµοποιείται για την προστασία από σφάλµατα στον στρόβιλο και πιθανή υπερτάχυνση, όπου δεν υπάρχει απαίτηση για γρήγορες ενέργειες. Πρώτα διακόπτεται η παροχή, και αν αυτό δεν επαρκεί, διακόπτεται και η γεννήτρια. Σε κάθε περίπτωση, καλύπτεται από δευτερεύουσα προστασία, σε περίπτωση αστοχίας των αισθητήρων. Η General Electric εισάγει συµπληρωµατικά 4 ακόµη τρόπους διακοπής [7]: - Χειροκίνητη ιακοπή. Οταν ο χειριστής προβλέπει σφάλµα αντίστροφης ϱοής ισχύος και η προστασία µπορεί να µην είναι γρήγορη, έχει την δυνατότητα για άµεση απόζευξη της µηχανής και διακοπή της διέγερσης. Βέβαια, τέτοια ενέργεια αποθαρρύνεται έντονα από την GE, και χρησιµοποιείται µε πλήρη επίγνωση των συνεπειών στον εξοπλισµό. - Χειροκίνητη Μείωση και ιακοπή. Ο χειριστής µειώνει την έξοδο σε προκαθο- ϱισµένο επίπεδο, και διακόπτεται η λειτουργία του στροβίλου. Είναι η συνηθισµένη διαδικασία προληπτικής διακοπής από το χειριστή. - Αυτόµατη Μείωση. Οµοια, ο ϱυθµιστής στροφών µειώνει την ισχύ του στρο- ϐίλου σε προκαθορισµένο επίπεδο, µόνο για περιπτώσεις απώλειας ψυκτικού στον στάτη. ιατηρεί τη σύνδεση στο δίκτυο εξυπηρετώντας µικρό ϕορτίο, και µπορεί να επιστρέψει σύντοµα σε ονοµαστικό ϕορτίο. - Χειροκίνητη Μείωση. Ο χειριστής διατηρεί την ισχύ σε µια χαµηλή τιµή, συνήθως για περιπτώσεις υπερθέρµανσης, όπου δεν επηρεάζεται το ϕορτίο. Αυτή η περίπτωση επιτρέπει την παροχή άεργου ισχύος στο δίκτυο. Στη συνέχεια, αναλύονται οι κυριότερες προστασίες µιας γεννήτριας, δίνοντας το ϑεωρητικό πλαίσιο και τους µηχανισµούς που υλοποιούν κάθε µια από αυτές. 161

162 Σχήµα 5.8 Προστασία στάτη (87G). Η µέθοδος καλύπτει ολόκληρο το µήκος του στάτη, µεταξύ των µετασχηµατιστών ϱεύµατος, ενώ δεν καλύπτει το µικρό τµήµα ϕάσης ως τον αστέρα Προστασία στάτη σε σφάλµα µεταξύ ϕάσεων (87G) Ενα σφάλµα µεταξύ των ϕάσεων στον στάτη ϑεωρείται σοβαρό, διότι προκαλεί έντονα ϱεύµατα στα τυλίγµατά του και η πιθανή ϐλάβη στον άξονα και στα έδρανα είναι µεγάλη, αν αυτό παραµείνει. Άλλωστε, το σφάλµα στον στάτη δεν εξαφανίζεται ακαριαία µε το άνοιγµα του διακόπτη και της διέγερσης, αλλά συνεχίζει να τροφοδοτείται από την ήδη αποθηκευµένη ενέργεια του στάτη. Ακόµη, λόγω της κατασκευής του οπλισµού, είναι πιθανή η ανεξέλεγκτη επέκταση του σφάλµατος, ώστε να συµπε- ϱιλάβει γη, προκαλώντας έτσι ανεπανόρθωτες καταστροφές στον πυρήνα του στάτη. Για την αναγνώριση του σφάλµατος χρησιµοποιούνται διαφορικοί ηλεκτρονόµοι ϕάσης (differential relays), που µετρούν την διαφορά ϱεύµατος στα δυο άκρα του στάτη (Σχ. 5.8). Καλύπτουν όλο το µήκος του τυλίγµατος, ενώ χαρακτηρίζονται από µεγάλη ευαισθησία και ακαριαία απόκριση, λόγω της σηµασίας που έχει η συγκεκριµένη προστασία. Βοηθητικά, χρησιµοποιούνται µέθοδοι γρήγορης αποδιέγερσης που ενσωµατώνονται στα συστήµατα διέγερσης, µειώνοντας έτσι την τιµή του σφάλ- µατος. Η προστασία αυτή ενεργοποιεί πάντα την Ταυτόχρονη ιακοπή, και καλύπτεται συµπληρωµατικά από την προστασία µονάδας 87U και την προστασία γραµµής 21. Σηµειώνεται ότι, η συγκεκριµένη µέθοδος προστασίας δεν αναγνωρίζει σφάλµατα προς γη, και ϐραχυκυκλώµατα στην ίδια ϕάση (turn-to-turn faults). Αντ αυτού χρησιµοποιούνται οι προστασίες 59GN, 64G και 46, αντίστοιχα Προστασία στάτη σε σφάλµα προς γη (59GN, 64G1, 64G2, 27TN) Η ύπαρξη γης σε τυλίγµατα µε µόνωση υψηλού επιπέδου αποδίδεται σχεδόν πάντα σε καταστροφή υλικού, συνήθως σε πολλαπλά σηµεία. Αν και ένα τέτοιο σφάλµα δεν προκαλεί άµεσες ϐλάβες, αυξάνει την πιθανότητα δεύτερου σφάλµατος προς γη, 162

163 Σχήµα 5.9 Προστασία στάτη (64G). Γεννήτρια µε απέυθείας γείωση, µέσω αντίστασης και µέσω µετασχηµατιστή γείωσης µε τους ηλεκτρονόµους προστασίας. ενώ αν συµβεί στην ίδια ϕάση δεν ανιχνεύεται από την διαφορική προστασία και προκαλεί εντονότερες καταστροφές. Για τον λόγο αυτό, απαιτείται γείωση του αστέρα της γεννήτριας και µέτρηση του σφάλµατος προς γη στον ουδέτερο. Αν η γεννήτρια δεν γειωθεί, τα σφάλµατα προς γη δηµιουργούν µεγάλες τάσεις στα τυλίγµατα, προκαλώντας τόξα και µεγάλες καταστροφές στην µόνωσή τους. Αν η γεννήτρια γειωθεί απευθείας, µειώνει κατά 60% τις πολικές τάσεις, και δίνει µεγάλο πλάτος στο ϱεύµα σφάλµατος, αυξάνοντας έτσι, την µαγνητική ϱοή στον στάτη. Ακόµη και αν αποσυνδεθεί από το δίκτυο, η παραµένουσα ϱοή ϕθίνει σε µεγάλο χρόνο ϕθείροντας ανεπανόρθωτα την µηχανή. Ετσι, η γείωση του αστέρα γίνεται µέσω υψηλής ή χαµηλής αντίστασης (Σχ. 5.9). Η χαµηλή αντίσταση χρησιµοποιείται σε κοινή σύνδεση γεννητριών που λειτουργούν παράλληλα ή έχουν άµεση σύνδεση σε ϕορτίο, χωρίς µετασχηµατιστή ανύψωσης. Η υψηλή αντίσταση χρησιµοποιείται σε µονάδες παραγωγής, και υλοποιείται µε µετασχηµατιστή γείωσης, διατηρώντας χαµηλά το ϱεύµα σφάλµατος (5-25Α). Οι προστασίες 59GN, 64G1 ϐασίζονται στην µέτρηση υπέρτασης στην αντίσταση γείωσης, µε ηλεκτρονόµο ϱυθµισµένο στην ϑεµελιώδη συχνότητα, και µε ελεγχόµενη χρονική καθυστέρηση. Βέβαια, έτσι παρέχεται προστασία µόνο για το 95% του τυλίγµατος, αφού σφάλµατα κοντά στο ουδέτερο σηµείο δεν δηµιουργούν επαρκή τάση στη ϑεµελιώδη συχνότητα 3, ώστε να ανιχνευθεί από τον ηλεκτρονόµο. Βοηθητικά, για την κάλυψη στάτη κατά 100% χρησιµοποιούνται οι 64G2, 27TN, οι οποίες ϐασίζονται στην µέτρηση τάσης της 3ης αρµονικής. Είναι γνωστό ότι, σε ένα σφάλµα κοντά στον ουδέτερο η τιµή της 3ης αρµονικής µειώνεται. Ετσι, ένας ηλεκτρονόµος µέτρησης υπότασης αντιλαµβάνεται τέτοια σφάλµατα καλύπτοντας τον στάτη κατά 100%. Οι παραπάνω προστασίες ϱυθµίζονται ώστε να αποσυνδέουν την µονάδα σε λίγα δευτερόλεπτα, προκαλώντας Ταυτόχρονη ιακοπή. 3 Συνήθως, η τάση στον ουδέτερο έχει µικρή τιµή, κατά την κανονική λειτουργία. Στα σφάλµατα, η τάση στον ουδέτερο αυξάνει, εκτός εκείνων που συµβαίνουν κοντά σάυτόν. 163

164 Σχήµα 5.10 Προστασία δροµέα (64EX) Προστασία ουδέτερου σε σφάλµα προς γη (51GN) Συµπληρωµατικά προς τα παραπάνω, παρακολουθείται το ϱεύµα του ουδέτερου στην αντίσταση γείωσης από έναν ηλεκτρονόµο ϱεύµατος. Σε περίπτωση σφάλµατος η απότοµη αύξησή του αποσυνδέει την µηχανή, µε µια ελεγχόµενη χρονική καθυστέρηση Προστασία δροµέα σε σφάλµα προς γη (64EX) Το κύκλωµα ενός δροµέα είναι ένα dc κύκλωµα χωρίς γείωση. Ενα σφάλµα προς γη δεν επηρεάζει την λειτουργία, αλλά αυξάνει την πιθανότητα ενός δεύτερου. Αυτό, διότι ένα τµήµα του δροµέα ϐραχυκυκλώνεται προς τη γη, και αποσταθεροποιεί την µαγνητική ϱοή στο διάκενο. ηµιουργούνται έτσι, ανεξέλεγκτες µαγνητικές δυνάµεις που οδηγούν σε δονήσεις και τοπικές υπερθερµάνσεις. Συνήθως, τέτοια σφάλµατα προκαλούνται από υγρασία, συσσωρευµένη σκόνη στα τυλίγµατα, καθώς και µετα- ϐατικές καταστάσεις. Η ανίχνευση σφάλµατος γίνεται µέσω ϐοηθητικής πηγής dc τάσης σε σειρά µε έναν ηλεκτρονόµο υπέρτασης, που συνδέονται µεταξύ της αρνητικής πλευράς του τυλίγµατος και του γειωµένου εδράνου 4 (Σχ. 5.10). Η πηγή εισάγει µια δευτερεύουσα dc τάση ϱυθµιζόµενου πλάτους στο τύλιγµα. Σε περίπτωση σφάλµατος οπουδήποτε στο τύλιγµα, δηµιουργείται απότοµη µεταβολή της τάσης αυτής, και η µεταβολή ανιχνεύεται από τον ηλεκτρονόµο. Αν και δεν χρειάζεται επέµβαση στο πρώτο σφάλµα, το δεύτερο δεν µπορεί να ανιχνευθεί, οδηγώντας σε απρόβλεπτες καταστάσεις. Προτείνεται, τέτοια σφάλµατα να οδηγούν σε προειδοποίηση του χειριστή ή σε Ακολουθιακή ιακοπή. 4 Σε κάθε γεννήτρια µε στατικό σύστηµα διέγερσης, το ένα από τα δυο έδρανα του δροµέα είναι συνεχώς γειωµένο. Αυτό διότι σε σφάλµα γης, είναι πιθανό το λάδι λίπανσης του εδράνου να εισάγει µεγάλη αντίσταση στη διαδροµή του ϱεύµατος προς τη γη, και να µην λειτουργήσει η προστασία. 164

165 5.3.6 Απόκλιση συχνότητας (81O/U) Τόσο ο στρόβιλος όσο και η γεννήτρια έχουν περιορισµένες δυνατότητες λειτουργίας, σε συχνότητες πέρα από την ονοµαστική. Το κύριο ενδιαφέρον της προστασίας επικεντρώνεται στον στρόβιλο. Αυτό διότι, η γεννήτρια µπορεί να λειτουργήσει τόσο σε υψηλότερες συχνότητες όσο και σε χαµηλότερες, µε µειωµένη παραγωγή ισχύος και µικρή αύξηση ϑερµότητας στα τυλίγµατα. Για τον στρόβιλο, η λειτουργία σε συχνότητες κάτω από την ονοµαστική είναι ιδιαίτερα επικίνδυνη, αφού τα πτερύγια των ϐαθµίδων του καθώς και του συµπιεστή, ταλαντώνονται σε συχνότητες για τις οποίες δεν σχεδιάστηκαν. Στην προσπάθεια διατήρησης ονοµαστικής ισχύος, µειώνεται η ϱοή αέρα και ϑερµαίνεται ο συµπιεστής. Μακροπρόθεσµα, καταστρέφονται οι άκρες των πτερυγίων του, αλλά και η άτρακτος του στροβίλου, λόγω δονήσεων. Σε µεγαλύτερες συχνότητες, το πρόβληµα αποδίδεται σε σφάλµα του ϱυθµιστή στροφών, αλλά δεν ϑεωρείται κρίσιµο, διότι διορθώνεται από τον χειριστή ή από την προστασία υπερτάχυνσης. Η προστασία υλοποιείται µε ηλεκτρονόµους συχνότητας (συνδεδεµένους παράλληλα για αλληλοκάλυψη), ο ϱόλος των οποίων είναι η ένδειξη για απόκλιση συχνότητας. εν ενεργούν άµεσα στον εξοπλισµό, αλλά πληροφορούν τα συστήµατα ελέγχου, ώστε να µην επεκταθεί το σφάλµα στην µονάδα. Για περιπτώσεις υποσυχνότητας, ενσωµατώνονται προγράµµατα µερικής απόρριψης ϕορτίου, ώστε να ανακάµψει ο στρόβιλος χωρίς να διακοπεί η λειτουργία της µονάδας Προστασία από υπέρταση (59), υπόταση (27), και υπερδιέγερση (24) Η απόκλιση τάσης και η υπερδιέγερση είναι άµεσα συνδεδεµένα ϕαινόµενα, λόγω του ϱόλου τους σε µια γεννήτρια. Η ορθή λειτουργία της εξαρτάται σε µεγάλο ϐαθµό από την προστασία της στα ϕαινόµενα αυτά, που ϑεωρούνται σοβαρά ηλεκτρικά σφάλµατα. Η παρακολούθηση τάσης και διέγερσης καλύπτεται από την µέτρηση µαγνητικής ϱοής στην γεννήτρια. Αυτή είναι ανάλογη του λόγου V olts, ο οποίος µετράται Hz ευκολότερα. Οταν υπερβεί το όριο ονοµαστικής λειτουργίας λόγω αυξηµένης διέγερσης ή µείωσης συχνότητας, ο πυρήνας έρχεται σε κορεσµό και η µαγνητική ϱοή διέρχεται από σηµεία της µηχανής, τα οποία δεν µπορούν να την δεχθούν. Άµεσα, ϕθείρονται τα άκρα του πυρήνα που επάγουν υψηλά δινορεύµατα στη µηχανή, µε αύξηση ϑερµοκρασίας, απώλειες ισχύος και ϕθορές στη µόνωση. Συνήθως, τα ϕαινόµενα συµβαίνουν κατά την λειτουργία, µόλις πριν τον συγχρονισµό, ή και µετά, αν υπάρχει σφάλµα στον ϱυθµιστή τάσης AVR. Η προστασία υλοποιείται µε ηλεκτρονόµους αντίστροφου και απόλυτου χρόνου, 165

166 Σχήµα 5.11 Προστασία υπερδιέγερσης (24) και υπέρτασης (59). Σύστηµα προστασίας µε 2 ηλεκτρονόµους απόλυτου χρόνου και 1 ηλεκτρονόµου αντίστροφου χρόνου. που συνήθως χρησιµοποιούνται σε συνδυασµό. Για λειτουργία µε σύνδεση στο δίκτυο πρέπει να διακοπεί η διέγερση και να ανοίξει ο διακόπτης, ενώ χωρίς σύνδεση αρκεί η διακοπή διέγερσης. Για µονάδες χωρίς ικανότητα µερικής απόρριψης ϕορτίου, πρέπει να διακόπτεται και ο στρόβιλος Απώλεια διέγερσης (40) Η απώλεια διέγερσης είναι ο µηδενισµός του ϱεύµατος διέγερσης στη γεννήτρια (διαφέρει από την υποδιέγερση). Οφείλεται σε αστοχία του συστήµατος διέγερσης, της τροφοδοσίας του, του ϱυθµιστή τάσης ή και σε αστοχίες διακοπτών. Αποτελεί ένα σηµαντικό σφάλµα, διότι αν συµβεί κατά την σύνδεση στο δίκτυο, η µηχανή απορ- ϱοφά άεργο ισχύ από αυτό και λειτουργεί ως επαγωγικός κινητήρας, σε µεγαλύτερες ταχύτητες. Στην επιφάνεια του δροµέα επάγονται υψηλά δινορεύµατα που καταλήγουν στα τυλίγµατα και στους δακτύλιους συγκράτησης, δηµιουργώντας διαστολές λόγω υπερθέρµανσης και έντονες δονήσεις. Για το δίκτυο, το ϕαινόµενο οδηγεί σε απώλειες άεργου ισχύος, πτώσεις τάσης και µπορεί να προκαλέσει αλυσιδωτές αστοχίες. Το ϕαινόµενο εκτυλίσσεται σε µερικά δευτερόλεπτα, και εξαρτάται από το τρέχον ϕορτίο της γεννήτριας και τον τρόπο κατασκευής του δροµέα (ανοικτός ή ϐραχυκυκλωµένος). Για την ανίχνευση του ϕαινοµένου χρησιµοποιούνται ηλεκτρονό- µοι απόστασης που παρακολουθούν την αντίσταση στα τυλίγµατα της γεννήτριας. Η χαρακτηριστική τους έχει την µορφή κύκλων ή ελλείψεων στο διάγραµµα R-X (µετασχηµατισµός του διαγράµµατος λειτουργίας P-Q), σύµφωνα µε τα χαρακτηριστικά της γεννήτριας και µε τις απαραίτητες ανοχές για την λειτουργία στο δίκτυο (Σχ. 5.12). Η προστασία πρέπει να προκαλεί ιακοπή Γεννήτριας, και ανάλογα µε την σχεδίαση του σταθµού, Ταυτόχρονη ιακοπή. Τονίζεται η σηµασία αποσύνδεσης του 166

167 Σχήµα 5.12 Προστασία απώλειας διέγερσης (40). Επάνω, το διάγραµµα R-X όπως ϕαίνεται από τους πόλους της γεννήτριας. Ο πρώτος ηλεκτρονόµος ανιχνεύει απώλεια διέγερσης σε πτώση από πλήρες ϕορτίο σε 30% του ονοµαστικού, έχει ακαριαία ενεργοποίηση και καλύπτει έντονα ϕαινόµενα, ενώ ο δεύτερος παρέχει προστασία µε καθυστέρηση 0.5sec και καλύπτει κάθε ϕορτίο. Οι αντίστοιχοι γεωµετρικοί τόποι του σηµείου λειτουργίας της µηχανής σε απώλεια διέγερσης δίνονται από τις καµπύλες Α,Β. Κάτω, µια προσοµοίωση σφάλµατος απώλειας διέγερσης. Με κόκκινο χρώµα δίνεται ο γεωµετρικός τόπος του σηµείου λειτουργίας, όπως εισέρχεται στην περιοχή ενεργοποίησης της προστασίας. 167

168 Σχήµα 5.13 Προστασία απώλειας συγχρονισµού (78). Προστασία απώλειας συγχρονισµού µε 3 ηλεκτρονόµους αντίστασης διαφορετικών χαρακτηριστικών (lens, circle, tomato). Η διάκριση σφάλµατος από µια απλή ταλάντωση του δικτύου καθορίζεται από την ταχύτητα κίνησης προς το εσωτερικό των χαρακτηριστικών - στο σφάλµα γίνεται ακαριαία. Μόνο αν το σηµείο λειτουργίας διασχίσει τις 3 χαρακτηριστικές σε συγκεκριµένους χρόνους ενεργοποιείται η προστασία. συστήµατος διέγερσης, διότι ακόµη και χωρίς διέγερση µπορεί να τροφοδοτεί εσωτε- ϱικό σφάλµα Απώλεια συγχρονισµού (78) Η απώλεια συγχρονισµού µεταξύ δυο σηµείων του δικτύου µπορεί να αποδοθεί σε πλήθος συνθηκών λειτουργίας και σε διάφορους συνδυασµούς καταστάσεων. Για την περίπτωση γεννήτριας συνδεδεµένης στο δίκτυο πρέπει να διακοπεί η λειτουργία, διότι το σφάλµα µπορεί να καταστρέψει την µηχανή και να αναπτυχθεί ανεξέλεγκτα στο δίκτυο. Η ανίχνευση της απώλειας συγχρονισµού γίνεται µε την µέτρηση της αντίστασης γραµµής στην πάροδο του χρόνου, όπως αυτή ϕαίνεται από τους πόλους της γεννήτριας. Στο Σχ δίνεται το µονογραµµικό διάγραµµα µιας µηχανής στο δίκτυο και το διάγραµµα R-X. Η ευθεία ǫ 1 αντιστοιχεί στον γεωµετρικό τόπο της αντίστασης όπως ϕαίνεται από την γεννήτρια, όταν οι τάσεις E gen, E grid είναι ίσες, ενώ όταν διαφέρουν ο γ.τ. µετατρέπεται σε υπερβολή. Η ευθεία ΑΒ αντιστοιχεί στην συνολική αντίσταση της γραµµής και η γωνία ΑΡΒ είναι η γωνία ϕόρτισης δ της γεννήτριας. Οταν ο γ.τ. της γεννήτριας συναντά την ευθεία ΑΒ, η γωνία ϕόρτισης ϑα είναι 180 o και το σύστηµα ϑα ϐρίσκεται εκτός συγχρονισµού. Είναι σηµαντικό να καθοριστούν τα όρια λειτουργίας και συγχρονισµού της µονάδας, καθώς και οι ανοχές τους, ώστε µικρές διαταραχές και ταλαντώσεις να µην εκλαµβάνονται ως απώλεια συγχρονισµού. Για την προστασία, χρησιµοποιούνται παράλληλα ηλεκτρονόµοι µέτρησης αντίστασης µε χαρακτηριστικές κύκλου και έλλειψης. Η ενέργειά τους είναι άµεση 168

169 διακοπή της γραµµής για την προστασία της γεννήτριας, δίνοντας την δυνατότητα επανασυγχρονισµού. Οι µονάδες που δεν έχουν ικανότητα απόρριψης ϕορτίου οδηγούνται σε Ταυτόχρονη ιακοπή Μετατόπιση ουδέτερου / ανισορροπία ϱεύµατος (46) Η µετατόπιση του ουδέτερου σηµείου µπορεί να συµβεί για πλήθος συνθηκών λειτουργίας, όπως ϐραχυκυκλώµατα, µονοφασικοί µετασχηµατιστές, ασύµµετρα τριφασικά ή µεµονωµένα µονοφασικά ϕορτία και άλλα ϕαινόµενα ασυµµετρίας. Η συνη- ϑέστερη αιτία είναι ένα σφάλµα µεταξύ ϕάσεων στα τυλίγµατα της γεννήτριας. Κατά την εξέλιξη του ϕαινοµένου, παράγεται η ανάστροφη συνιστώσα του ϱεύµατος, που δηµιουργεί µαγνητική ϱοή στο διάκενο µε αντίστροφη ϕορά. Ετσι, ο δροµέας δέχεται την επαγόµενη ϱοή ως ϱεύµα διπλάσιας συχνότητας, το οποίο λόγω του επιδερµικού ϕαινοµένου, συσσωρεύεται στα τµήµατα της επιφάνειας και των άκρων του. Αν και στα τυλίγµατα περνά µικρή ποσότητα αυτού του ϱεύµατος, στα υπόλοιπα τµήµατα η ϑερµοκρασία αυξάνεται υπερβολικά, ως και το σηµείο τήξης. Εκτός των µικρών απωλειών στον στάτη, το ϕαινόµενο επηρεάζει κυρίως τον δρο- µέα της γεννήτριας. Η πρόσθετη ενέργεια και η αύξηση της ϑερµοκρασίας είναι µεγέθη ανάλογα προς το γινόµενο του τετραγώνου του ανάστροφου ϱεύµατος επί τον χρόνο, K = I2t. 2 Η τιµή Κ είναι χαρακτηριστικό µέγεθος κάθε µηχανής, παρέχεται από τον κατασκευαστή και καθορίζει την ϱύθµιση των ηλεκτρονόµων προστασίας. Οι χαρακτηριστικές αυτών των ηλεκτρονόµων είναι συναρτήσεις του ανάστροφου ϱεύµατος σε αντίστροφη αναλογία µε τον χρόνο εξέλιξης, και περιέχουν τις κατάλληλες ανοχές για τις ϕυσιολογικές ασυµµετρίες του δικτύου. Η ενέργεια των ηλεκτρονόµων είναι η ενηµέρωση του χειριστή για υπέρβαση ορίων ϑερµοκρασίας και ανάστροφου ϱεύµατος, και έπειτα, η αποσύνδεση της γεννήτριας, ακόµη και του συστήµατος διέγερσης Ανάστροφη ισχύς (32) Οταν η ισχύς του στροβίλου µειωθεί τόσο, ώστε η παραγωγή της γεννήτριας να είναι µικρότερη από τις απώλειες χωρίς ϕορτίο, ενεργός ισχύς ϱέει κατά αντίθετη ϕορά από την επιθυµητή, από το δίκτυο στην γεννήτρια, όσο αυτή είναι συνδεδεµένη. Αφού δεν έχει διακοπεί η διέγερση λόγω κάποιου σφάλµατος, η γεννήτρια εργάζεται ως σύγχρονος κινητήρας, προσθέτοντας κινητική ενέργεια στον στρόβιλο. Το αποτέλεσµα του ϕαινοµένου εντοπίζεται κυρίως στον στρόβιλο, αφού οδηγείται σε αύξηση ταχύτητας από εξωτερικούς παράγοντες. Ετσι, εµφανίζονται υπερθερµάνσεις και διαστολές σε αρκετά σηµεία του. Η γεννήτρια δεν επηρεάζεται έντονα, διότι η σχεδίαση και η κατασκευή της µπορεί να αντέξει το ϕαινόµενο. 169

170 Η ανίχνευση γίνεται µε παράλληλους ηλεκτρονόµους αντίστροφης ισχύος, που ϱυθµίζονται σύµφωνα µε την ελάχιστη κινητήρια ισχύ της γεννήτριας, στοιχείο που παρέχεται από τον κατασκευαστή. ίνεται ϐάρος στην ακρίβεια της µέτρησης ισχύος, ιδιαίτερα στα χαµηλά ϕορτία. Σε περίπτωση σφάλµατος, η προστασία προκαλεί Ταυτόχρονη ιακοπή, ιακοπή Γεννήτριας, ή Αποσύνδεση Γεννήτριας, ανάλογα µε τα χαρακτηριστικά της µονάδας. Τονίζεται ότι, η συγκεκριµένη µέθοδος χρησιµοποιείται ως η ενδεικνυόµενη για την αποσύνδεση της γεννήτριας στην διαδικασία κανονικής διακοπής. Αφού διακοπεί η παροχή στον στρόβιλο, η ταχύτητά του µειώνεται σταδιακά, όπως και η ισχύς που δίνει η γεννήτρια. Μόνο όταν αυτή µειωθεί κάτω από την ελάχιστη κινητήρια ισχύ, ενεργούν οι ηλεκτρονόµοι αντίστροφου ισχύος και ανοίγουν την σύνδεση µε το δίκτυο. Με τον τρόπο αυτό προστατεύεται ο στρόβιλος από επικίνδυνες επιταχύνσεις Τυχαία ενεργοποίηση (AE, 50RE) Η τυχαία ενεργοποίηση 5 είναι η σύνδεση µιας γεννήτριας στο δίκτυο, όταν αυτή είναι σε ακινησία ή υποβοηθείται από το σύστηµα εκκίνησης. Η σύνδεση µπορεί να γίνει είτε µε την ενεργοποίηση του διακόπτη, είτε από ϕθορές και ϐραχυκυκλώµατα στα άκρα διακοπτών υψηλής και υπερυψηλής τάσης, είτε από σύνδεση ϐοηθητικών καταναλώσεων, αν δεν υπάρχει διακόπτης στη γεννήτρια. Οι ϕθορές στην µηχανή είναι µεγάλες και σε ορισµένες περιπτώσεις υπήρξε ολοκληρωτική καταστροφή. Η αιτία είναι ότι η µηχανή ϑα λειτουργήσει ως επαγωγικός κινητήρας, όµοια µε την περίπτωση απώλειας διέγερσης. Οµως λόγω της αδράνειας του δροµέα, τα επαγόµενα ϱεύµατα µεγάλης έντασης συσσωρεύονται στην επιφάνεια του, και προκαλούν ακαριαία αύξηση ϑερµοκρασίας στα µέρη του. Η διείσδυση είναι µικρή, χωρίς να ϕθείρονται τα τυλίγµατα, ωστόσο τα υπόλοιπα τµήµατα ϕτάνουν γρήγορα σε ϑερµοκρασία τήξης, και µπορεί να καταστραφούν ανεπανόρθωτα λόγω των έντονων διαστολών. Αρκετές ϕορές, το ϕαινόµενο παρατηρείται όταν η µονάδα είναι εκτός λειτουργίας, και τα συστήµατα προστασίας είναι απενεργοποιηµένα λόγω συντήρησης. Η ανίχνευση µπορεί να γίνει µε πολλά είδη ηλεκτρονόµων, προτιµάται όµως η µέτρηση υπερεύµατος στους πόλους της µηχανής, µε µικρή χρονική καθυστέρηση. Οµως, η προστασία είναι διασυνδεδεµένη µε ψηφιακές λογικές, που ϐεβαιώνουν την απρόσεκτη ενεργοποίηση και ελαχιστοποιούν την πιθανότητα ατυχούς επέµβασης στην µονάδα. 5 Inadvertant/reverse energization. 170

171 Απώλεια σήµατος µετασχηµατιστή τάσης (VTFF, 60) Η απώλεια ενός σήµατος τάσης της γεννήτριας, συχνά προέρχεται από καταστροφή της ασφάλειας του µετασχηµατιστή µέτρησης. Αυτό µπορεί να συµβεί από ανθρώπινο σφάλµα, από λάθος συνδέσεις, από ϕθορά εξοπλισµού, κλπ. Ετσι, οι προστασίες που οδηγούνται από αυτά τα σήµατα λειτουργούν χωρίς είσοδο, και δεν ανιχνεύουν τα σφάλµατα για τα οποία προορίζονται. Αν τα σήµατα οδηγούν κάποια ϱύθµιση (π.χ. AVR), πρέπει ο έλεγχος να µεταφερθεί στην χειροκίνητη λειτουργία. Η αναγνώριση αστοχίας στην µέτρηση σηµάτων γίνεται είτε µε σύγκριση 2 τρι- ϕασικών τάσεων (1 από τις 6 ϑα διαφέρει σηµαντικά), είτε µε ανάλυση συµµετρικών συνιστωσών (έντονη ασυµµετρία σε σφάλµα). Σε κάθε περίπτωση, η τελική ένδειξη διασταυρώνεται από ψηφιακές λογικές και απενεργοποιεί την προστασία, λόγω εσφαλµένης µέτρησης. Αν και η γεννήτρια δεν πρέπει να λειτουργεί µε απενεργοποιηµένες τις κύριες προστασίες της, η ενέργεια αφήνεται στον χειριστή και στο συνολικό σύστηµα προστασίας, χωρίς να διακόπτεται η λειτουργία System backup, ηλεκτρονόµοι απόστασης / υπερρεύ- µατος (87U, 21, 51V) Η δευτερεύουσα ή συµπληρωµατική προστασία (backup protection) αποσκοπεί στην αποµόνωση σφαλµάτων που δεν ανιχνεύθηκαν από την κύρια προστασία, σε σφάλµατα δικτύου εκτός της µονάδας, τα οποία µπορεί να τροφοδοτούνται από την γεννήτρια, αλλά και σε σφάλµατα µεγάλης χρονικής διάρκειας. Λόγω των στόχων της συγκεκριµένης προστασίας, η ευαισθησία των ηλεκτρονόµων πρέπει να είναι µεγάλη. Η προστασία διακρίνεται σε αναγνώριση σφάλµατος µεταξύ ϕάσεων και µεταξύ ϕάσης και γης. Για τα σφάλµατα µεταξύ ϕάσεων, χρησιµοποιούνται ηλεκτρονόµοι υπερρεύµατος ή απόστασης (µέτρηση αντίστασης), µε δυσκολία στη συνεργασία µεταξύ τους, λόγω των διαφορετικών χρόνων και συνθηκών διακοπής. Οι χαρακτηριστικές υπερ- ϱεύµατος κατανέµονται σε ελεγχόµενες-από-τάση και περιορισµένες-από-τάση, σε αντίστροφη αναλογία µε τον χρόνο. Οι χρόνοι διακοπής ϱυθµίζονται σύµφωνα µε την χειρότερη περίπτωση λειτουργίας, που είναι ένα παραµένον σφάλµα µε ταυτόχρονη αποτυχία του διακόπτη. Οι χαρακτηριστικές απόστασης καλύπτουν συνήθως, την Ϲώνη από την γεννήτρια ως το πρωτεύον τύλιγµα του µετασχηµατιστή µονάδας, µε πρόληψη για σφάλµατα κοντά στην µονάδα. Η ϱύθµιση επηρεάζεται αρκετά από εισερχόµενες ϱοές ισχύος, και διαφορετικά µήκη γραµµών για παράλληλη λειτουργία γεννητριών. Στα σφάλµατα προς γη, παρακολουθείται το ϱεύµα στον ουδέτερο της γεννήτριας, από ηλεκτρονόµο υπερρεύµατος µε χαρακτηριστική αντίστροφου ή έντονα αντίστροφου χρόνου. 171

172 Σχήµα 5.14 Λογική ενεργοποίησης διακοπτών γεννήτριας (27BS). Η δευτερεύουσα προστασία ενεργεί στον διακόπτη 52G αποσυνδέοντας την γεννήτρια, επιτρέποντας έτσι άµεσο επανασυγχρονισµό αφού διορθωθεί το σφάλµα Αστοχία διακόπτη γεννήτριας (27BS) Το σφάλµα αυτό οφείλεται σε αδράνεια του διακόπτη 52G της γεννήτριας, ενώ έχει δοθεί εντολή για άνοιγµα του κυκλώµατος. Λόγω της σηµασίας διακοπής του κυκλώµατος για την προστασία του εξοπλισµού, είναι αναγκαία η ύπαρξη προστασίας σε συµπληρωµατικό ϱόλο. Είναι δυνατό το άνοιγµα 1 ή 2 ϕάσεων, ϕορτίζοντας µε τον τρόπο αυτό την γεννήτρια µονοφασικά και ασύµµετρα. Βέβαια, συχνά ο διακόπτης αποτυγχάνει να κρατήσει ανοικτό το κύκλωµα, λόγω εσωτερικού ϐραχυκυκλώµατος σε έναν ή περισσότερους πόλους, οδηγώντας την γεννήτρια σε ατυχή ενεργοποίηση. Η αναγνώριση του σφάλµατος διατήρησης ανοικτού κυκλώµατος επιτυγχάνεται µε µέτρηση και σύγκριση τάσης και ϱεύµατος στις 3 ϕάσεις. Σε περίπτωση σφάλµατος, οι τάσεις µεταβάλλονται πάνω από τα όρια ασφαλείας, και τα αντίστοιχα ϱεύµατα είναι κάτω από τα χαµηλότερα όρια. Η αναγνώριση της αστοχίας ανοίγµατος γίνεται µε χρήση ψηφιακών λογικών και χρονικών κυκλωµάτων (Σχ. 5.14). Σε κάθε περίπτωση, η προστασία ενεργεί στους διακόπτες γραµµής, και σε κάθε άλλο διακόπτη που τροφοδοτεί την γεννήτρια. Ταυτόχρονα, οι διακόπτες κλειδώνουν σε ανοικτή ϑέση, και αποσυνδέεται η διέγερση. 5.4 Το σύστηµα προστασιών γεννήτριας της General Electric Η General Electric υλοποιεί την προστασία της γεννήτριας µε 3 ηλεκτρονικούς ηλεκτρονόµους, διασυνδεδεµένους µεταξύ τους [7]. Ο καθένας εκτελεί ξεχωριστούς αλγορίθµους σύµφωνα µε τις προστασίες που χειρίζεται, µε εισόδους από τους µετασχηµατιστές µετρήσεων σε διάφορα σηµεία της γεννήτριας. Οι ενέργειές τους είναι 172

173 Σχήµα 5.15 Ο ψηφιακός ηλεκτρονόµος προστασίας DGP. Το µονογραµµικό διάγραµµα του συστήµατος DGP, µε τα όργανα µέτρησης στα διάφορα σηµεία και τις προστασίες που υλοποιούνται. Οι τιµές που δίνονται στο διάγραµµα, όπως και στην παράγραφο αυτή, είναι οι πραγµατικές στον σταθµό ΕΝ.ΘΕΣ.. είτε προειδοποίηση στον χειριστή µέσω του Speedtronic, είτε άµεση επέµβαση στους διακόπτες του συστήµατος. Τονίζεται ότι τα συστήµατα της General Electric αποσκοπούν στην προστασία της γεννήτριας και των συστηµάτων εκκίνησης και διέγερσής της, µε όριο τον διακόπτη γεννήτριας. Ευρύτερες προστασίες, όπως η διαφορική προστασία γραµµής ή µετασχηµατιστές πέρα από το συγκεκριµένο όριο, υλοποιούνται από ξεχωριστά συστήµατα. Οι προστασίες κατατάσσονται ανάλογα µε τη ϕύση τους σε 3 ηλεκτρονόµους, το DGP 6, το LPS 7 και το MIF. Οσες αφορούν αποκλειστικά την γεννήτρια υλοποιούνται στο DGP, ενώ όσες αφορούν την γραµµή, από τον ουδέτερο ως τον διακόπτη 52G, υλοποιούνται στο LPS. Το MIF είναι ο κύριος ηλεκτρονόµος αντίστροφου ισχύος, µε δραστηριότητα κατά την λειτουργία αλλά και την στάση της µονάδας. Οι προστασίες που αφορούν την διέγερση και τον δροµέα ενσωµατώνονται στο σύστηµα διέγερσης EX2100. Τέλος, λόγω της σηµασίας τους, οι κυριότερες προστασίες υλοποιούνται παράλληλα και στον ηλεκτρονόµο ABB 316 [9], ορισµένες µε διαφορετικούς αλγό- ϱιθµους από αυτούς της General Electric. Το DGP είναι ένας ψηφιακός ηλεκτρονόµος πολλαπλών λειτουργιών, µε στόχο την προστασία διαφόρων τύπων γεννητριών (Σχ. 5.15). Μέσω συνεχούς δειγµατοληψίας των κυµατοµορφών τάσης και ϱεύµατος, ένα κύκλωµα µικροεπεξεργαστών υπολογί- Ϲει τα διανύσµατα που χρειάζονται οι αλγόριθµοι προστασίας. Παρέχει ενδείξεις στον χειριστή, δίνει πληροφορίες και προειδοποιήσεις στο Speedtronic, ενώ ανάλογα µε την προστασία µπορεί να διακόψει το σύστηµα διέγερσης ή να ανοίξει τον διακόπτη γεννήτριας. Μέσω µετασχηµατιστών ϱεύµατος (Σχ. 5.16) µετράται το ϱεύµα που διαρρέει την 6 D.G.P.: Digital Generator Protection. 7 L.P.S.: Line Protection System. 173

174 Σχήµα 5.16 Ουδέτερο σηµείο γεννήτριας και µετασχηµατιστές ϱεύµατος. ιακρίνονται οι µετασχηµατιστές µέτρησης ϱεύµατος της κάθε ϕάσης του στάτη, πριν το ουδέτερο ση- µείο. Το συγκεκριµένο τµήµα ϐρίσκεται στο Terminal Enclosure, πάνω ακριβώς από τη γεννήτρια. Οι δυο άκρες του στάτη συνδέονται σε δυο ξεχωριστές αλουµινένιες κατασκευές. Η µια σχηµατίζει το ουδέτερο σηµείο και η άλλη συνδέεται στους αγωγούς εξόδου. Στις δυο αυτές κατασκευές τοποθετούνται οι µετασχηµατιστές µέτρησης ϱεύµατος. κάθε ϕάση του στάτη, και µέσω µετασχηµατιστή γείωσης µετράται το ϱεύµα του ουδέτερου. Η τάση µετράται µόνο σε ένα σηµείο, πριν από το διακόπτη. Τα στοιχεία των οργάνων µέτρησης είναι τα εξής: Λόγος µετασχηµατιστή ϱεύµατος 15000/5 Λόγος µετασχηµατιστή τάσης 15750/120 Λόγος µετασχηµατιστή γείωσης 12000/240 Αντίσταση γείωσης 0.525Ω Στην παρούσα εφαρµογή, το DGP αναλαµβάνει µερικές προστασίες από όσες έχει τη δυνατότητα, αφού χρησιµοποιείται σε συνδυασµό µε παράλληλα συστήµατα προστασίας. Συγκεκριµένα, οι προστασίες που υλοποιούνται είναι οι εξής: - προστασία στάτη σε σφάλµα µεταξύ ϕάσεων, 87G. Λειτουργεί όταν γίνει αληθής η συνθήκη: I 1 I 2 2 > K (I 1 I 2 ) I 1 I 2 K Ρεύµα ϕάσης από την πλευρά του ουδέτερου, Ρεύµα ϕάσης από την πλευρά του διακόπτη, Ρυθµιζόµενη ευαισθησία (κλίση χαρακτηριστικής). Η σταθερά K έχει ϱυθµιστεί στο 2%. Η κάθε ϕάση υπολογίζεται ξεχωριστά, και µόνο αν η ένδειξη ϱεύµατος είναι τουλάχιστον 0.3Amp (περιθώριο σφάλµατος µετασχηµατιστή ϱεύµατος). - µετατόπιση ουδέτερου / ανισορροπία ϱεύµατος, 46. Λειτουργεί όταν γίνει 174

175 αληθής η συνθήκη: T = K 2 ( I 2 I F L ) 2 I 2 Ανάστροφο ϱεύµα γεννήτριας, I FL K 2 Ρεύµα πλήρους ϕορτίου γεννήτριας, Ρυθµιζόµενη ευαισθησία (κλίση χαρακτηριστικής). Η σταθερά K 2 ϱυθµίζεται στα 8sec, αφού το όριο της µηχανής είναι τα 10sec, µε ένδειξη ϱεύµατος τουλάχιστον 0.32Amp. Ωστόσο, το σύστηµα δίνει προειδοποίηση στο 70% του λόγου I 2 I F L, δηλαδή σε ένδειξη τουλάχιστον 0.22Amp για 2sec. - απώλεια διέγερσης, 40. Η προστασία υλοποιείται και στο σύστηµα διέγερσης EX2100. Ανιχνεύει 2 καταστάσεις, µια (40 1 ) για σοβαρές περιπτώσεις σε ϕόρτιση τουλάχιστον 30% ονοµαστικού ϕορτίου, και άλλη µια (40 2 ) για κάθε άλλη περίπτωση. Χρησιµοποιείται ο ίδιος αλγόριθµος, µε διαφορετικές σταθερές και χρονικές καθυστερήσεις. Για την 40 1 και την 40 2 αντίστοιχα, η χαρακτηριστική R-X σχηµατίζεται ως εξής: Center 1 = Z b + X d, Center 2 = X d + X d 2 2 Radius 1 = Z b 2, Radius 2 = X d 2 Ο κατασκευαστής δίνει ως ονοµαστικά στοιχεία την αντίσταση Z = 17.48Ohm και τις αντιδράσεις X d = 39.85Ohm και X d = 4.63Ohm. Οι χρονικές σταθερές ορίζονται στα 0.06sec για την 40 1, και στα 0.5sec για την Το Σχ δίνει το τελικό διάγραµµα R-X. - ανάστροφη ισχύς, 32. Η τιµή της ισχύος αυτής δίνεται ως ονοµαστικό στοιχείο από τον κατασκευαστή στα 27.57MW ή 70.03W από την πλευρά των µετασχηµατιστών µέτρησης. Για λόγους ασφαλείας, η προστασία ενεργοποιείται στο 70% της τιµής αυτής, δηλαδή στα 49.03W. Η χρονική καθυστέρηση είναι ϱυθµισµένη στα 10sec. - προστασία στάτη σε σφάλµα προς γη, 64G1,27TN. Η προστασία 64G1 (κάλυψη 95% τυλίγµατος στάτη) ϱυθµίζεται σε µεγάλη ευαισθησία, για λόγους ασφαλείας. Η συνθήκη ενεργοποίησής της είναι η: V N1 > V lim για τουλαχ. T lim1 V N1 : Τάση ουδέτερου στη ϑεµελιώδη συχνότητα, V lim : T lim1 : Περιθώριο τάσης, Χρονικό όριο. Η τιµή V N1 υπολογίζεται από τα στοιχεία του µετασχηµατιστή και της αντίστασης γείωσης, ενώ το όριο V lim ϱυθµίζεται στα 5V, µε όριο χρόνου τα 5sec. 175

176 Σχήµα 5.17 Χαρακτηριστικές R-X για την προστασία απώλειας διέγερσης. Με πράσινο χρώµα η χαρακτηριστική για ϕορτία άνω του 30% του ονοµαστικού, και µε µαύρο η χαρακτηριστική για όλες τις υπόλοιπες περιπτώσεις. Με µπλε και κόκκινο χρώµα ο γεωµετρικός τόπος του σηµείου λειτουργίας της γεννήτριας, σε δυο διαφορετικές ϑερµοκρασίες. Συµπληρωµατικά, υλοποιείται η προστασία 64G2 (µέτρηση 3ης αρµονικής ουδέτερου, κάλυψη 15% τυλίγµατος στάτη). Η συνθήκη ενεργοποίησής της είναι η: V N3 V P3 +V N3 < 0.15 για τουλαχ. T lim3 V N3 : Τάση ουδέτερου στην 3η αρµονική, V P3 : T lim3 : Τάση ϕάσης στην 3η αρµονική, Χρονικό όριο. Η τιµές V N3, V P3 δίνονται από τις µετρήσεις, και το όριο χρόνου ϱυθµίζεται στα 0.1sec. Τέλος, στην πλήρη κάλυψη στάτη συµπεριλαµβάνεται και η προστασία 27TN (υπόταση 3ης αρµονικής ουδέτερου). Η συνθήκη ενεργοποίησής της είναι η: V N3 < V lim27, V N3 : Τάση ουδέτερου στην 3η αρµονική και V 1 : Τάση ϕάσης στην ϑεµελιώδη αρµονική V 1 > 25V για τουλαχ. T lim3, T lim3 : Χρονικό όριο. Η τιµές V N3, V 1 δίνονται από τις µετρήσεις, ενώ τα όρια χρόνου και τάσης ϱυθµί- Ϲονται στα T lim3 = 20sec, και V lim27 = 0.1V. Η συγκεκριµένη τάση καθορίζεται από το ϕορτίο που εξυπηρετεί κάθε εφαρµογή της µονάδας. Η τάση ουδέτερου µετράται στην αντίσταση γείωσης του ουδέτερου σηµείου. Η σύνδεση του µετασχηµατιστή γείωσης µε το ουδέτερο σηµείο γίνεται µέσω 176