ما هو نظام الإثارة لمحطة توليد الطاقة الكهرومائية؟

تتميز الأنهار في الطبيعة بانحدار معين. يتدفق الماء في مجرى النهر بفعل الجاذبية. ويحتوي الماء في المرتفعات العالية على طاقة كامنة هائلة. وبمساعدة المنشآت الهيدروليكية والمعدات الكهروميكانيكية، يمكن تحويل طاقة الماء إلى طاقة كهربائية، أي توليد الطاقة الكهرومائية. يعتمد مبدأ توليد الطاقة الكهرومائية على الحث الكهرومغناطيسي، أي عندما يقطع موصل خطوط التدفق المغناطيسي في مجال مغناطيسي، فإنه يولد تيارًا كهربائيًا. وتتحقق "حركة" الموصل في المجال المغناطيسي من خلال تدفق الماء الذي يصطدم بالتوربين لتحويل طاقة الماء إلى طاقة ميكانيكية دورانية؛ ويتشكل المجال المغناطيسي في أغلب الأحيان من تيار الإثارة الناتج عن نظام الإثارة والذي يمر عبر ملفات دوار المولد، أي أن المغناطيسية تتولد من الكهرباء.
1. ما هو نظام الإثارة؟ لتحقيق تحويل الطاقة، يحتاج المولد التزامني إلى مجال مغناطيسي مستمر، ويُسمى التيار المستمر الذي يُولّد هذا المجال المغناطيسي بتيار الإثارة للمولد. عمومًا، تُسمى عملية تكوين مجال مغناطيسي في دوّار المولد وفقًا لمبدأ الحث الكهرومغناطيسي بالإثارة. يشير نظام الإثارة إلى المعدات التي تُزوّد ​​المولد التزامني بتيار الإثارة، وهو جزء أساسي منه. يتكون عادةً من جزأين رئيسيين: وحدة طاقة الإثارة ومنظم الإثارة. تُزوّد ​​وحدة طاقة الإثارة دوّار المولد التزامني بتيار الإثارة، بينما يتحكم منظم الإثارة في خرج وحدة طاقة الإثارة وفقًا لإشارة الدخل ومعايير التنظيم المُحددة.

٢. وظيفة نظام الإثارة: لنظام الإثارة الوظائف الرئيسية التالية: (١) في ظل ظروف التشغيل العادية، يقوم بتزويد المولد بتيار الإثارة، ويضبط هذا التيار وفقًا لقانون محدد بناءً على جهد طرف المولد وظروف الحمل للحفاظ على استقرار الجهد. لماذا يُمكن الحفاظ على استقرار الجهد عن طريق ضبط تيار الإثارة؟ توجد علاقة تقريبية بين الجهد المستحث (أي جهد اللاحمل) Ed لملفات الجزء الثابت للمولد، وجهد الطرف Ug، وتيار الحمل التفاعلي Ir للمولد، والمفاعلة التزامنية الطولية Xd.
يتناسب الجهد المستحث Ed طرديًا مع التدفق المغناطيسي، ويعتمد التدفق المغناطيسي بدوره على شدة تيار الإثارة. عندما يظل تيار الإثارة ثابتًا، يظل كل من التدفق المغناطيسي والجهد المستحث Ed ثابتين. من الصيغة السابقة، يتضح أن جهد طرفي المولد سينخفض ​​مع زيادة التيار التفاعلي. مع ذلك، ولتلبية متطلبات المستخدم لجودة الطاقة، يجب أن يظل جهد طرفي المولد ثابتًا تقريبًا. من الواضح أن السبيل لتحقيق هذا المطلب هو تعديل تيار الإثارة للمولد مع تغير التيار التفاعلي Ir (أي مع تغير الحمل). (2) وفقًا لظروف الحمل، يتم تعديل تيار الإثارة وفقًا لقاعدة محددة لضبط القدرة التفاعلية. لماذا من الضروري ضبط القدرة التفاعلية؟ تعمل العديد من المعدات الكهربائية وفقًا لمبدأ الحث الكهرومغناطيسي، مثل المحولات والمحركات وآلات اللحام، وغيرها. وتعتمد جميعها على توليد مجال مغناطيسي متناوب لتحويل الطاقة ونقلها. تُسمى الطاقة الكهربائية اللازمة لتوليد مجال مغناطيسي متناوب وتدفق مغناطيسي مستحث بالطاقة التفاعلية. تستهلك جميع الأجهزة الكهربائية المزودة بملفات كهرومغناطيسية الطاقة التفاعلية لتوليد المجال المغناطيسي. وبدون الطاقة التفاعلية، لن يدور المحرك، ولن يتمكن المحول من تحويل الجهد، وستتوقف العديد من الأجهزة الكهربائية عن العمل. لذلك، فإن الطاقة التفاعلية ليست طاقة عديمة الفائدة بأي حال من الأحوال. في الظروف العادية، لا تحصل الأجهزة الكهربائية على الطاقة الفعالة من المولد فحسب، بل تحتاج أيضًا إلى الحصول على الطاقة التفاعلية منه. إذا كان هناك نقص في الطاقة التفاعلية في شبكة الطاقة، فلن يكون لدى الأجهزة الكهربائية طاقة تفاعلية كافية لتوليد مجال كهرومغناطيسي طبيعي. عندها لن تتمكن هذه الأجهزة من العمل بالقدرة المقدرة، وسينخفض ​​جهد طرفيها، مما يؤثر على تشغيلها الطبيعي. لذلك، من الضروري ضبط الطاقة التفاعلية وفقًا للحمل الفعلي، وترتبط الطاقة التفاعلية الخارجة من المولد بمقدار تيار الإثارة. ولن نتطرق إلى المبدأ المحدد هنا. (3) عند حدوث قصر في الدائرة الكهربائية أو لأسباب أخرى تؤدي إلى انخفاض حاد في جهد طرف المولد، يمكن تشغيل المولد قسرًا لتحسين حد الاستقرار الديناميكي للنظام ودقة عمل الحماية المرحلية. (4) عند حدوث زيادة في جهد المولد نتيجةً لفصل مفاجئ للأحمال أو لأسباب أخرى، يمكن إزالة مغنطة المولد قسرًا للحد من الارتفاع المفرط في جهد طرفه. (5) تحسين الاستقرار الساكن للنظام. (6) عند حدوث قصر بين أطوار المولد أو أسلاك توصيله، أو عند ارتفاع جهد طرفه بشكل مفرط، تتم إزالة المغنطة بسرعة للحد من تفاقم الحادث. (7) يمكن توزيع القدرة التفاعلية للمولدات المتوازية بشكل مناسب.

3. تصنيف أنظمة الإثارة: وفقًا لطريقة حصول المولد على تيار الإثارة (أي طريقة تزويده بطاقة الإثارة)، يمكن تقسيم نظام الإثارة إلى إثارة خارجية وإثارة ذاتية: يُطلق على تيار الإثارة المُستمد من مصادر طاقة خارجية اسم الإثارة الخارجية، بينما يُطلق على تيار الإثارة المُستمد من المولد نفسه اسم الإثارة الذاتية. وبحسب طريقة التقويم، يمكن تقسيمه إلى إثارة دورانية وإثارة ثابتة. لا يحتوي نظام الإثارة الثابتة على آلة إثارة خاصة. إذا حصل على طاقة الإثارة من المولد نفسه، يُطلق عليه اسم الإثارة الثابتة ذاتية الإثارة. ويمكن تقسيم الإثارة الثابتة ذاتية الإثارة إلى إثارة ذاتية التوازي وإثارة ذاتية التركيب.
الطريقة الأكثر شيوعًا للإثارة هي الإثارة الذاتية المتوازية، كما هو موضح في الشكل أدناه. وتحصل هذه الطريقة على طاقة الإثارة من خلال محول التقويم المتصل بمخرج المولد، وتزود المولد بتيار الإثارة بعد التقويم.
مخطط توصيل نظام الإثارة الثابتة ذاتية التوازي

يتكون نظام الإثارة الثابتة ذاتية التوازي بشكل أساسي من الأجزاء التالية: محول الإثارة، والمقوم، وجهاز إزالة المغنطة، ووحدة التحكم في التنظيم، وجهاز الحماية من الجهد الزائد. وتؤدي هذه الأجزاء الخمسة الوظائف التالية على التوالي:
(1) محول الإثارة: خفض الجهد عند طرف الآلة إلى جهد مطابق للمقوم.
(2) المقوم: هو المكون الأساسي للنظام بأكمله. غالبًا ما تُستخدم دائرة جسرية ثلاثية الأطوار يتم التحكم فيها بالكامل لإتمام عملية التحويل من التيار المتردد إلى التيار المستمر.
(3) جهاز إزالة المغناطيسية: يتكون جهاز إزالة المغناطيسية من جزأين، هما مفتاح إزالة المغناطيسية ومقاومة إزالة المغناطيسية. هذا الجهاز مسؤول عن إزالة المغناطيسية السريعة للوحدة في حالة وقوع حادث.
(4) وحدة التحكم في التنظيم: يقوم جهاز التحكم في نظام الإثارة بتغيير تيار الإثارة عن طريق التحكم في زاوية توصيل الثايرستور لجهاز التقويم لتحقيق تأثير تنظيم القدرة التفاعلية والجهد للمولد.
(5) الحماية من الجهد الزائد: عندما يكون لدائرة دوار المولد جهد زائد، يتم تشغيل الدائرة لاستهلاك طاقة الجهد الزائد، والحد من قيمة الجهد الزائد، وحماية ملفات دوار المولد والمعدات المتصلة به.
تتميز أنظمة الإثارة الثابتة ذاتية التوازي بالمزايا التالية: بنية بسيطة، معدات أقل، تكلفة منخفضة، وصيانة أقل. أما عيوبها فتتمثل في أنه عند حدوث قصر في الدائرة الكهربائية للمولد أو النظام، ينعدم تيار الإثارة أو ينخفض ​​بشكل كبير، بينما يتطلب الأمر زيادة تيار الإثارة بشكل كبير (أي الإثارة القسرية) في هذه الحالة. ومع ذلك، ونظرًا لأن الوحدات الكبيرة الحديثة تستخدم في الغالب قضبان توصيل مغلقة، ولأن شبكات الطاقة ذات الجهد العالي مُجهزة عمومًا بحماية سريعة وموثوقية عالية، فإن عدد الوحدات التي تستخدم طريقة الإثارة هذه في ازدياد، وهي أيضًا طريقة الإثارة الموصى بها في اللوائح والمواصفات. 4. الكبح الكهربائي للوحدة: عند تفريغ الوحدة وإيقاف تشغيلها، يُخزن جزء من الطاقة الميكانيكية نتيجةً لعزم القصور الذاتي الدوراني الهائل للدوار. ولا يمكن إيقاف هذا الجزء من الطاقة تمامًا إلا بعد تحويله إلى طاقة حرارية احتكاكية في محامل الدفع، ومحامل التوجيه، والهواء. بما أن فقدان الاحتكاك للهواء يتناسب طرديًا مع مربع السرعة الخطية للمحيط، فإن سرعة الدوار تنخفض بسرعة كبيرة في البداية، ثم تبقى في وضع الخمول لفترة طويلة عند سرعة منخفضة. عند تشغيل الوحدة لفترة طويلة بسرعة منخفضة، قد يحترق جلبة الدفع لعدم تكوّن طبقة الزيت بين صفيحة المرآة أسفل رأس الدفع وجلبة المحمل. لهذا السبب، أثناء عملية الإيقاف، عندما تنخفض سرعة الوحدة إلى قيمة محددة، يجب تفعيل نظام كبح الوحدة. ينقسم كبح الوحدة إلى كبح كهربائي، وكبح ميكانيكي، وكبح مُركّب. الكبح الكهربائي هو تقصير دائرة الجزء الثابت للمولد ثلاثي الأطوار عند مخرج نهاية الآلة بعد فصل المولد وإزالة مغناطيسيته، والانتظار حتى تنخفض سرعة الوحدة إلى حوالي 50% إلى 60% من السرعة المقننة. من خلال سلسلة من العمليات المنطقية، يتم توفير طاقة الكبح، ويتحول منظم الإثارة إلى وضع الكبح الكهربائي لإضافة تيار إثارة إلى ملفات دوار المولد. ولأن المولد يدور، فإن الجزء الثابت يُحدث تيار قصر تحت تأثير المجال المغناطيسي للدوار. ويكون عزم الدوران الكهرومغناطيسي الناتج معاكساً تماماً لاتجاه القصور الذاتي للدوار، مما يؤدي دور الكبح. في عملية تحقيق الكبح الكهربائي، يلزم توفير مصدر طاقة الكبح خارجياً، وهو ما يرتبط ارتباطاً وثيقاً ببنية الدائرة الرئيسية لنظام الإثارة. يوضح الشكل أدناه طرقاً مختلفة للحصول على مصدر طاقة الإثارة للكبح الكهربائي.
طرق متنوعة للحصول على مصدر طاقة إثارة الفرامل الكهربائية
في الطريقة الأولى، يعتمد جهاز الإثارة على طريقة توصيل الإثارة بالتوازي الذاتي. عند حدوث قصر في دائرة طرف الآلة، ينقطع التيار الكهربائي عن محول الإثارة. أما مصدر طاقة الكبح فيأتي من محول كبح مخصص، موصول بدوره بمصدر طاقة المحطة. وكما ذُكر سابقًا، تستخدم معظم مشاريع الطاقة الكهرومائية نظام إثارة بمقوم ثابت ذي إثارة بالتوازي الذاتي، ومن الأجدى اقتصاديًا استخدام جسر مقوم لكل من نظام الإثارة ونظام الكبح الكهربائي. لذا، تُعد هذه الطريقة لتوفير طاقة الإثارة لنظام الكبح الكهربائي أكثر شيوعًا. وفيما يلي آلية عمل الكبح الكهربائي في هذه الطريقة:
(1) يتم فتح قاطع دائرة مخرج الوحدة وفصل النظام.
(2) يتم إزالة مغناطيسية لفائف الدوار.
(3) يتم فتح مفتاح الطاقة الموجود على الجانب الثانوي لمحول الإثارة.
(4) تم إغلاق مفتاح قصر الدائرة الكهربائية للفرامل الكهربائية للوحدة.
(5) يتم إغلاق مفتاح الطاقة الموجود على الجانب الثانوي لمحول الفرامل الكهربائية.
(6) يتم تشغيل ثايرستور جسر المقوم للتوصيل، وتدخل الوحدة في حالة الكبح الكهربائي.
(7) عند توقف سرعة الوحدة تمامًا، يتم تحرير المكابح الكهربائية (في حال استخدام الكبح المركب، يتم تطبيق الكبح الميكانيكي عند بلوغ السرعة من 5% إلى 10% من السرعة المقدرة). 5. نظام الإثارة الذكي: تشير محطة الطاقة الكهرومائية الذكية إلى محطة أو مجموعة محطات طاقة كهرومائية مزودة برقمنة المعلومات، وشبكات الاتصالات، والتوحيد القياسي المتكامل، والتفاعل التجاري، وتحسين التشغيل، واتخاذ القرارات الذكية. تُقسم محطات الطاقة الكهرومائية الذكية رأسيًا إلى طبقة المعالجة، وطبقة الوحدة، وطبقة التحكم في المحطة، باستخدام بنية شبكية ثنائية الطبقات (شبكة طبقة المعالجة، وشبكة SV) وشبكة طبقة التحكم في المحطة (شبكة MMS). تحتاج محطات الطاقة الكهرومائية الذكية إلى معدات ذكية. وباعتباره نظام التحكم الأساسي لمجموعة مولدات التوربينات المائية، يلعب التطوير التكنولوجي لنظام الإثارة دورًا داعمًا هامًا في بناء محطات الطاقة الكهرومائية الذكية.
في محطات الطاقة الكهرومائية الذكية، بالإضافة إلى إنجاز المهام الأساسية كتشغيل وإيقاف مجموعة التوربينات والمولدات، وزيادة وخفض القدرة التفاعلية، والإغلاق الطارئ، يجب أن يكون نظام الإثارة قادرًا على تلبية متطلبات معيار IEC61850 لنمذجة البيانات ووظائف الاتصال، ودعم الاتصال بشبكة طبقة التحكم في المحطة (شبكة MMS) وشبكة طبقة العمليات (شبكة GOOSE وشبكة SV). يُرتب جهاز نظام الإثارة في طبقة الوحدات ضمن بنية نظام محطة الطاقة الكهرومائية الذكية، بينما تُرتب وحدة الدمج، والطرفية الذكية، ووحدة التحكم المساعدة، وغيرها من الأجهزة أو المعدات الذكية في طبقة العمليات. يوضح الشكل أدناه بنية النظام.
نظام إثارة ذكي
يلبي الحاسوب الرئيسي لطبقة التحكم في محطة الطاقة الكهرومائية الذكية متطلبات معيار الاتصالات IEC61850، ويرسل إشارة نظام الإثارة إلى الحاسوب الرئيسي لنظام المراقبة عبر شبكة MMS. يجب أن يكون نظام الإثارة الذكي قادرًا على الاتصال بشبكتي GOOSE وSV لجمع البيانات في طبقة المعالجة. تتطلب طبقة المعالجة أن تكون جميع البيانات الناتجة عن محولات التيار والجهد والمكونات المحلية رقمية. يتم توصيل محولات التيار والجهد بوحدة الدمج (يتم توصيل المحولات الإلكترونية بكابلات ضوئية، والمحولات الكهرومغناطيسية بكابلات عادية). بعد رقمنة بيانات التيار والجهد، يتم توصيلها بمفتاح شبكة SV عبر كابلات ضوئية. يجب توصيل المكونات المحلية بالطرفية الذكية عبر كابلات عادية، ويتم تحويل إشارات المفتاح أو الإشارات التناظرية إلى إشارات رقمية وإرسالها إلى مفتاح شبكة GOOSE عبر كابلات ضوئية. حاليًا، يتمتع نظام الإثارة بوظيفة اتصال أساسية مع شبكة MMS لطبقة التحكم في المحطة وشبكة GOOSE/SV لطبقة المعالجة. إضافةً إلى استيفاء متطلبات تفاعل معلومات الشبكة وفقًا لمعيار الاتصالات IEC61850، ينبغي أن يتمتع نظام الإثارة الذكي بميزة المراقبة الشاملة عبر الإنترنت، والتشخيص الذكي للأعطال، وسهولة التشغيل والصيانة. ويتطلب الأمر اختبار أداء جهاز الإثارة الذكي كامل الوظائف وفعاليته في تطبيقات هندسية عملية مستقبلية.