Synchronizacja agregatów prądotwórczych i rezerwa N+1

Poradnik AKMEL

Jak zaplanować wielomegawatowe zasilanie rezerwowe dla przemysłu i wymagających obiektów

W systemie zasilania rezerwowego liczy się moc, którą obiekt zachowa po awarii. Kilka agregatów pracujących równolegle pozwala budować układy o dużej mocy i zapewniać rezerwę na wypadek niedostępności jednej jednostki. O skuteczności rozwiązania decydują jednak również automatyka, sposób przejmowania obciążenia i instalacja doprowadzająca energię do odbiorników.

Dla inwestora najważniejsze są trzy ustalenia: które procesy mają działać podczas zaniku sieci, jaką przerwę mogą zaakceptować oraz co powinno się wydarzyć po utracie jednego agregatu. Od odpowiedzi warto zacząć projekt systemu wielomegawatowego. W tym poradniku wyjaśniamy zasady synchronizacji, pokazujemy rezerwę N+1 na przykładzie liczbowym i wskazujemy, co sprawdzić przed odbiorem instalacji.

Kiedy kilka agregatów ma uzasadnienie

Praca równoległa umożliwia zasilanie wspólnej instalacji przez kilka zespołów. Takie rozwiązanie warto rozważyć przy dużym zapotrzebowaniu na moc, planowanej rozbudowie obiektu albo potrzebie prowadzenia przeglądów bez wyłączania całego źródła rezerwowego. Warunkiem jest odpowiednia moc pozostałych jednostek oraz możliwość bezpiecznego odstawienia serwisowanego urządzenia.

Nie istnieje jedna granica mocy, od której każdy obiekt powinien mieć kilka agregatów. Trzeba porównać koszt całej instalacji, zajmowane miejsce, utrzymanie i wymagany poziom rezerwy. Dodatkowe zespoły oznaczają także więcej wyłączników, połączeń i funkcji sterowania. Dobrze dobrany pojedynczy agregat nadal może być właściwym rozwiązaniem dla określonego obiektu.

W zakładzie produkcyjnym punktem wyjścia powinien być przebieg procesu po zaniku napięcia. Niekiedy trzeba utrzymać całą linię, a w innym przypadku wystarczy zabezpieczyć sterowanie, chłodzenie i kontrolowane zatrzymanie urządzeń. Różnice te opisujemy szerzej w poradniku o systemach zasilania awaryjnego dla przemysłu.

Na czym polega synchronizacja agregatów

Synchronizacja przygotowuje agregat do połączenia z instalacją, która jest już zasilana przez inne źródło. Przed zamknięciem wyłącznika konieczne są zgodna kolejność faz oraz właściwa relacja napięć, częstotliwości i kąta fazowego. Automatyka kontroluje parametry i dopuszcza połączenie w określonym oknie synchronizacji.

Nie oznacza to idealnie identycznej częstotliwości przez cały proces. W synchronizacji dynamicznej niewielka różnica częstotliwości pozwala uzyskać odpowiednie położenie fazowe, a sterownik uwzględnia czas zamykania wyłącznika. Dopuszczalne wartości i sposób działania wynikają z projektu oraz dokumentacji urządzeń.

W typowym układzie pracy wyspowej po zaniku sieci pierwszy gotowy agregat zasila szyny, na których wcześniej nie było napięcia. Kolejne jednostki synchronizują się z już pracującym źródłem. Odbiorniki są dołączane według zaprogramowanych priorytetów i dostępnej mocy.

Po połączeniu agregatów automatyka nadal dzieli między nie moc czynną w kW i bierną w kVAr. Może utrzymywać jednakowe procentowe obciążenie jednostek względem ich mocy znamionowych. Przy różnych mocach agregatów oznacza to, że większa jednostka dostarcza więcej kilowatów.

Rola synchronizacji oraz układów SZR i UPS

Synchronizacja umożliwia współpracę źródeł na wspólnych szynach. SZR, czyli samoczynne załączanie rezerwy, odpowiada za automatyczną zmianę źródła zasilania według przyjętego scenariusza. W systemie wieloagregatowym obie funkcje muszą ze sobą współpracować. Mechanizm przełączania omawia osobny artykuł o tym, jak działa samoczynne załączanie rezerwy SZR.

Jeżeli agregaty czekają zatrzymane, potrzebują czasu na rozruch i udostępnienie zasilania. Dla odbiorników, które nie mogą zaakceptować takiej przerwy, przewiduje się odpowiednio dobrane zasilacze UPS. Dotyczy to między innymi serwerów i wybranych układów sterowania. Czas podtrzymania powinien obejmować przewidziany scenariusz uruchomienia źródła rezerwowego, z ustalonym zapasem.

Sama informacja o synchronizacji kilku agregatów nie określa więc czasu przerwy na odbiorniku. Należy ustalić go osobno dla poszczególnych grup obciążeń i sprawdzić podczas prób systemu.

Co oznacza N+1 w praktyce

N oznacza liczbę jednostek potrzebnych do zasilenia ustalonego obciążenia. Dodatkowa jednostka tworzy rezerwę +1. Tę deklarację zawsze trzeba powiązać z konkretnym zakresem odbiorników. Rezerwa dla urządzeń niezbędnych do utrzymania procesu nie musi obejmować całego zakładu.

Przyjmijmy własny, uproszczony przykład: wybrane odbiorniki wymagają 1,6 MW mocy czynnej, a instalacja składa się z trzech agregatów, każdy o rzeczywiście dostępnej mocy czynnej 1 MW. Zakładamy, że uwzględniono warunki otoczenia, dopuszczalny tryb pracy i potrzeby własne instalacji. Dwie jednostki wystarczają do pokrycia wskazanego obciążenia w stanie ustalonym, a trzecia daje N+1 na poziomie bilansu mocy czynnej.

Obliczenia własne dla jednakowych jednostek i równomiernego podziału obciążenia. Przykład nie przedstawia konkretnej realizacji AKMEL.

W pierwszym wariancie każdy z pozostałych agregatów musi zwiększyć obciążenie o około 267 kW. Dostępne kilowaty nie rozstrzygają jeszcze, czy urządzenia przyjmą taki skok z dopuszczalnymi zmianami napięcia i częstotliwości. Trzeba sprawdzić odpowiedź dynamiczną oraz ograniczenia mocy pozornej w kVA i mocy biernej.

W drugim wariancie deficyt względem maksymalnej dostępnej mocy wynosi 600 kW do czasu skutecznego dołączenia rezerwy. Projekt musi przewidywać zachowanie systemu w tym okresie, na przykład szybkie odłączenie odbiorników o niższym priorytecie lub podtrzymanie odpowiednich obwodów przez UPS z energii zmagazynowanej. Samo ustawienie trzeciego agregatu obok dwóch pozostałych tego problemu nie rozwiązuje.

Zapas mocy agregatów, które już pracują i są połączone z szynami, określa się jako rezerwę wirującą. Zatrzymana jednostka rezerwowa ma inną gotowość do przejęcia obciążenia: potrzebuje rozruchu, ustabilizowania parametrów i synchronizacji. Strategia sterowania powinna uwzględniać tę różnicę.

Takie rozróżnienie ma szczególne znaczenie przy projektowaniu zasilania rezerwowego Data Center i serwerowni. Wymaganą odporność na awarię ocenia się dla całej drogi energii do urządzeń IT, wraz z UPS, rozdziałem zasilania i sposobem prowadzenia prac serwisowych.

Jak połączyć rezerwę z kontrolą kosztów

Przy zmiennym zapotrzebowaniu automatyka może uruchamiać kolejne agregaty, gdy obciążenie rośnie, i odstawiać część jednostek, gdy spada. Pozwala to dopasować liczbę pracujących silników do potrzeb obiektu. Taka funkcja może ograniczać zużycie paliwa, ale wynik zależy od charakterystyk konkretnych zespołów i przebiegu obciążenia.

Warunkiem odstawienia jednostki powinno być także zachowanie wymaganej rezerwy. Jeżeli priorytetem jest przejęcie obciążenia po nagłej awarii jednego agregatu, dodatkowy zespół może musieć pozostać w ruchu mimo niewielkiego zapotrzebowania. Progi załączania i wyłączania trzeba więc dobrać razem z wymaganiami ciągłości pracy.

W porównaniu ofert warto poprosić o dwa warianty pracy dla tego samego profilu obciążenia: z większą rezerwą jednostek już pracujących oraz z ograniczaniem liczby uruchomionych agregatów. Pozwoli to ocenić koszty paliwa, obsługi i konsekwencje awarii przy tych samych założeniach. Uniwersalna deklaracja procentowych oszczędności nie zastąpi takiego porównania.

Co sprawdzić przed doborem systemu wielomegawatowego

Obciążenie i warunki pracy

Projekt warto rozpocząć od pomiarów oraz listy odbiorników z priorytetami. Potrzebne są dane o mocy roboczej, rozruchach dużych silników, skokach obciążenia i wymaganiach urządzeń elektronicznych. Wskazówki do przygotowania takiego bilansu zawiera poradnik jak dobrać moc agregatu do firmy lub obiektu.

Moc w kVA i moc w kW opisują różne parametry. Przy ocenie całego układu trzeba uwzględnić obie wartości oraz charakter odbiorników. Równie istotne jest oznaczenie mocy właściwe dla planowanego trybu eksploatacji. Parametr podany dla zasilania awaryjnego nie powinien być automatycznie przyjmowany jako dopuszczalna moc przy długotrwałej pracy podstawowej.

Wybierając agregaty dla przemysłu, trzeba także uwzględnić warunki zabudowy, chłodzenie, odprowadzenie spalin i zasilanie paliwem. Dobór urządzeń oraz ich wyposażenia powinien odpowiadać rzeczywistemu miejscu pracy, a planowana rozbudowa musi znaleźć odzwierciedlenie w projekcie instalacji.

Wspólne elementy instalacji

Dodatkowy agregat nie usuwa automatycznie słabości wspólnej rozdzielnicy, sterowania czy zasilania pomocniczego. W analizie awarii należy wskazać elementy, których pojedyncza usterka może zatrzymać kilka zespołów lub odciąć odbiorniki. Zakres wymaganej redundancji wynika z potrzeb obiektu i przyjętego projektu.

Osobnym scenariuszem jest utrata komunikacji między sterownikami. Sposób podziału obciążenia po takim zdarzeniu zależy od zastosowanego rozwiązania. W specyfikacji warto opisać oczekiwane działanie systemu i sposób jego potwierdzenia podczas prób, zamiast zakładać, że każda automatyka zachowa się identycznie.

Możliwość rozbudowy

Przyszłe dołączenie agregatu wymaga wcześniejszego przewidzenia miejsca, pól rozdzielnicy, obciążalności szyn i torów kablowych. Trzeba również sprawdzić wpływ kolejnego źródła na warunki zwarciowe i zabezpieczenia. „Możliwość rozbudowy” powinna więc mieć konkretny zakres zapisany w dokumentacji.

Te zagadnienia warto rozstrzygnąć w ramach projektowania i montażu systemów zasilania awaryjnego. Uzgodniony scenariusz działania daje wspólny punkt odniesienia inwestorowi, projektantowi, dostawcy automatyki i osobom odpowiedzialnym za utrzymanie obiektu.

Jak sprawdzić działanie układu przed odbiorem

Program odbioru powinien obejmować próby całego systemu. Rekomendowany zakres do uzgodnienia z projektantem i użytkownikiem obejmuje:

• zanik zasilania podstawowego oraz uruchomienie instalacji bez pomocy sieci;
• załączenie odbiorników w przyjętej kolejności i pracę z przewidzianym obciążeniem;
• niedostępność jednego agregatu przy rozruchu oraz utratę jednostki już pracującej;
• reakcję na skok obciążenia i działanie funkcji odłączania mniej ważnych odbiorników;
• współpracę z UPS oraz kontrolowany powrót na zasilanie podstawowe;
• działanie instalacji paliwowej, wentylacji, alarmów i uzgodnionych trybów awaryjnych sterowania.

Przed testami należy ustalić kryteria akceptacji. W protokole warto zapisać obciążenie, czasy poszczególnych operacji, zmiany napięcia i częstotliwości oraz reakcje zabezpieczeń. Próby zakłócające zasilanie wymagają uzgodnionego planu zabezpieczenia procesów obiektu.

Po uruchomieniu potrzebny jest plan przeglądów i okresowych prób z obciążeniem. Same uruchomienia bez obciążenia nie sprawdzają całego toru zasilania w warunkach pracy. Zakres kontroli opisujemy w artykule jak prawidłowo serwisować agregat.

Przy przebudowie rozdzielni lub czasowym ograniczeniu dostępnej rezerwy można rozważyć wynajem agregatów na czas modernizacji. Sposób podłączenia zasilania tymczasowego i jego współpraca z istniejącym układem muszą zostać wcześniej uzgodnione.

Synchronizacja agregatów w realizacjach AKMEL

Zasady pracy równoległej znajdują zastosowanie także w instalacjach mniejszych niż systemy wielomegawatowe. W AKMEL realizujemy takie układy dla obiektów o różnych wymaganiach. Dwa opublikowane przykłady pokazują zakres prac towarzyszących samemu dostarczeniu agregatów.

Dwa agregaty po 810 kVA dla szpitala

W realizacji dla szpitala z dwoma agregatami po 810 kVA zastosowaliśmy zespoły pracujące w synchronizacji. Zakres obejmował również instalację paliwową z automatycznym uzupełnianiem paliwa oraz wentylację i odprowadzenie spalin. Łączna zainstalowana moc pozorna agregatów wynosi 1620 kVA.

Zsynchronizowane agregaty dla pieczarkarni

W projekcie synchronizacji dwóch agregatów FD 500 B dla pieczarkarni wykonaliśmy analizę z pomiarami, dobraliśmy urządzenia, a następnie zrealizowaliśmy dostawę i podłączenie. Przykład pokazuje kolejność, którą warto zachować również przy większej inwestycji: najpierw rozpoznanie obciążenia obiektu, później dobór rozwiązania.

Najczęstsze pytania o synchronizację agregatów