Rijeke u prirodi sve imaju određeni nagib. Voda teče duž korita pod djelovanjem gravitacije. Voda na velikim nadmorskim visinama sadrži obilnu potencijalnu energiju. Uz pomoć hidrauličnih konstrukcija i elektromehaničke opreme, energija vode može se pretvoriti u električnu energiju, odnosno generirati hidroenergiju. Princip proizvodnje hidroenergije je naša elektromagnetska indukcija, odnosno kada provodnik presiječe linije magnetskog fluksa u magnetskom polju, generirat će struju. Između ostalog, "kretanje" provodnika u magnetskom polju postiže se protokom vode koji udara u turbinu kako bi se energija vode pretvorila u rotacionu mehaničku energiju; a magnetsko polje gotovo uvijek formira struja pobude koju generira sistem pobude koji teče kroz namotaj rotora generatora, odnosno magnetizam se generira električnom energijom.
1. Šta je sistem pobude? Da bi se ostvarila konverzija energije, sinhronom generatoru je potrebno jednosmjerno magnetsko polje, a jednosmjerna struja koja generira ovo magnetsko polje naziva se struja pobude generatora. Generalno, proces formiranja magnetskog polja u rotoru generatora prema principu elektromagnetske indukcije naziva se pobuda. Sistem pobude odnosi se na opremu koja obezbjeđuje struju pobude za sinhroni generator. To je važan dio sinhronog generatora. Generalno se sastoji od dva glavna dijela: jedinice za napajanje pobude i regulatora pobude. Jedinica za napajanje pobude obezbjeđuje struju pobude rotoru sinhronog generatora, a regulator pobude kontroliše izlaz jedinice za napajanje pobude prema ulaznom signalu i datim kriterijima regulacije.
2. Funkcija sistema pobude Sistem pobude ima sljedeće glavne funkcije: (1) U normalnim radnim uslovima, on dovodi struju pobude generatora i podešava struju pobude prema datom zakonu, u skladu sa naponom na terminalima generatora i uslovima opterećenja kako bi se održala stabilnost napona. Zašto se stabilnost napona može održati podešavanjem struje pobude? Postoji približan odnos između indukovanog potencijala (tj. potencijala bez opterećenja) Ed namotaja statora generatora, napona na terminalima Ug, reaktivne struje opterećenja Ir generatora i longitudinalne sinhrone reaktanse Xd:
Indukovani potencijal Ed je proporcionalan magnetskom fluksu, a magnetski fluks zavisi od veličine struje pobude. Kada struja pobude ostane nepromijenjena, magnetski fluks i indukovani potencijal Ed ostaju nepromijenjeni. Iz gornje formule se vidi da će se napon na terminalima generatora smanjivati s povećanjem reaktivne struje. Međutim, da bi se zadovoljili zahtjevi korisnika za kvalitetom električne energije, napon na terminalima generatora trebao bi ostati u osnovi nepromijenjen. Očigledno je da je način da se postigne ovaj zahtjev podešavanje struje pobude generatora kako se mijenja reaktivna struja Ir (tj. mijenja se opterećenje). (2) Prema uslovima opterećenja, struja pobude se podešava prema datom pravilu kako bi se podesila reaktivna snaga. Zašto je potrebno podesiti reaktivnu snagu? Mnogi električni uređaji rade na principu elektromagnetne indukcije, kao što su transformatori, motori, aparati za zavarivanje itd. Svi se oslanjaju na uspostavljanje naizmjeničnog magnetskog polja za pretvaranje i prijenos energije. Električna snaga potrebna za uspostavljanje naizmjeničnog magnetskog polja i indukovanog magnetskog fluksa naziva se reaktivna snaga. Sva električna oprema sa elektromagnetnim zavojnicama troši reaktivnu snagu za uspostavljanje magnetskog polja. Bez reaktivne snage, motor se neće okretati, transformator neće moći transformirati napon i mnogi električni uređaji neće raditi. Stoga, reaktivna snaga nipošto nije beskorisna snaga. U normalnim okolnostima, električna oprema ne samo da dobija aktivnu snagu iz generatora, već i treba da dobije reaktivnu snagu od generatora. Ako je reaktivna snaga u elektroenergetskoj mreži manjak, električna oprema neće imati dovoljno reaktivne snage za uspostavljanje normalnog elektromagnetnog polja. Tada ova električna oprema ne može održavati nazivni rad, a napon na terminalima električne opreme će pasti, što će uticati na normalan rad električne opreme. Stoga je potrebno prilagoditi reaktivnu snagu prema stvarnom opterećenju, a izlaz reaktivne snage generatora povezan je sa veličinom struje pobude. Specifičan princip ovdje neće biti objašnjen. (3) Kada se dogodi kratki spoj u elektroenergetskom sistemu ili drugi razlozi uzrokuju ozbiljan pad napona na terminalima generatora, generator se može prisilno pobuditi kako bi se poboljšala granica dinamičke stabilnosti elektroenergetskog sistema i tačnost djelovanja relejne zaštite. (4) Kada dođe do prenapona generatora zbog naglog gubitka opterećenja i drugih razloga, generator se može prisilno demagnetizirati kako bi se ograničilo prekomjerno povećanje napona na terminalima generatora. (5) Poboljšati statičku stabilnost elektroenergetskog sistema. (6) Kada dođe do kratkog spoja između faza unutar generatora i na njegovim dovodnim žicama ili je napon na terminalima generatora previsok, demagnetizacija se provodi brzo kako bi se ograničilo širenje nesreće. (7) Reaktivna snaga paralelnih generatora može se razumno raspodijeliti.
3. Klasifikacija sistema pobude Prema načinu na koji generator dobija struju pobude (tj. metodi napajanja izvora pobude), sistem pobude se može podijeliti na eksternu pobudu i samopobudu: struja pobude dobijena iz drugih izvora napajanja naziva se eksterna pobuda; struja pobude dobijena iz samog generatora naziva se samopobuda. Prema metodi ispravljanja, može se podijeliti na rotacionu pobudu i statičku pobudu. Statički sistem pobude nema posebnu mašinu za pobudu. Ako dobija snagu pobude iz samog generatora, to se naziva samopobudna statička pobuda. Samopobudna statička pobuda može se podijeliti na samoparalelnu pobudu i samokompaundirajuću pobudu.
Najčešće korištena metoda pobude je samoparalelna statička pobuda, kao što je prikazano na slici ispod. Dobija se snaga pobude preko ispravljačkog transformatora spojenog na izlaz generatora i dovodi struju pobude generatora nakon ispravljanja.
Dijagram ožičenja sistema pobude sa samoparalelnom pobudom i statičkom ispravljačkom instalacijom
Statički sistem pobude sa samoparalelnom pobudom uglavnom se sastoji od sljedećih dijelova: pobudnog transformatora, ispravljača, uređaja za demagnetizaciju, regulatora i uređaja za zaštitu od prenapona. Ovih pet dijelova redom obavljaju sljedeće funkcije:
(1) Pobudni transformator: Smanjite napon na kraju mašine na napon koji odgovara ispravljaču.
(2) Ispravljač: To je osnovna komponenta cijelog sistema. Trofazni potpuno kontrolirani mostni krug se često koristi za dovršetak zadatka konverzije iz AC u DC.
(3) Uređaj za demagnetizaciju: Uređaj za demagnetizaciju sastoji se od dva dijela, i to prekidača za demagnetizaciju i otpornika za demagnetizaciju. Ovaj uređaj je odgovoran za brzu demagnetizaciju uređaja u slučaju nezgode.
(4) Regulator regulacije: Uređaj za upravljanje pobudnim sistemom mijenja struju pobude kontrolisanjem ugla provodljivosti tiristora ispravljačkog uređaja kako bi se postigao efekat regulacije reaktivne snage i napona generatora.
(5) Zaštita od prenapona: Kada strujno kolo rotora generatora ima prenapon, strujno kolo se uključuje kako bi potrošilo energiju prenapona, ograničilo vrijednost prenapona i zaštitilo namotaj rotora generatora i njegovu priključenu opremu.
Prednosti statičkog sistema pobude sa samoparalelnom pobudom su: jednostavna struktura, manje opreme, mala ulaganja i manje održavanja. Nedostatak je što kada generator ili sistem dođe u kratki spoj, struja pobude će nestati ili znatno pasti, dok bi struja pobude u ovom trenutku trebala biti znatno povećana (tj. prisilna pobuda). Međutim, s obzirom na to da moderne velike jedinice uglavnom koriste zatvorene sabirnice, a visokonaponske električne mreže su uglavnom opremljene brzom zaštitom i visokom pouzdanošću, broj jedinica koje koriste ovu metodu pobude se povećava, a ovo je ujedno i metoda pobude koju preporučuju propisi i specifikacije. 4. Električno kočenje jedinice Kada se jedinica rastereti i isključi, dio mehaničke energije se skladišti zbog ogromne rotacijske inercije rotora. Ovaj dio energije se može potpuno zaustaviti tek nakon što se pretvori u energiju trenja aksijalnog ležaja, vodećeg ležaja i zraka. Budući da je gubitak trenja zraka proporcionalan kvadratu linearne brzine obima, brzina rotora u početku vrlo brzo pada, a zatim će dugo raditi u praznom hodu pri maloj brzini. Kada jedinica radi dugo vremena na maloj brzini, potisna čahura može pregorjeti jer se ne može uspostaviti uljni film između zrcalne ploče ispod potisne glave i čahure ležaja. Iz tog razloga, tokom procesa gašenja, kada brzina jedinice padne na određenu specificiranu vrijednost, potrebno je koristiti sistem kočenja jedinice. Kočenje jedinice se dijeli na električno kočenje, mehaničko kočenje i kombinovano kočenje. Električno kočenje se sastoji u kratkom spoju statora trofaznog generatora na izlazu na kraju mašine nakon što se generator odvoji i demagnetizira, i čekanju da brzina jedinice padne na oko 50% do 60% nazivne brzine. Kroz niz logičkih operacija, obezbjeđuje se snaga kočenja, a regulator pobude prelazi u režim električnog kočenja kako bi dodao struju pobude namotaju rotora generatora. Budući da se generator okreće, stator indukuje struju kratkog spoja pod djelovanjem magnetskog polja rotora. Generisani elektromagnetni moment je upravo suprotan inercijalnom smjeru rotora, koji igra ulogu kočenja. U procesu realizacije električnog kočenja, napajanje kočenja mora se obezbijediti eksterno, što je usko povezano sa strukturom glavnog kola sistema pobude. Različiti načini za dobijanje napajanja pobude električne kočnice prikazani su na slici ispod.
Različiti načini za dobijanje napajanja za pobudu električne kočnice
U prvom načinu, pobudni uređaj je metoda samoparalelnog pobudnog ožičenja. Kada je kraj mašine kratko spojen, pobudni transformator nema napajanje. Napajanje kočenja dolazi iz namjenskog kočionog transformatora, a kočni transformator je spojen na napajanje postrojenja. Kao što je gore spomenuto, većina hidroenergetskih projekata koristi samoparalelni pobudni statički ispravljački sistem pobude, te je ekonomičnije koristiti ispravljački most za pobudni sistem i električni kočni sistem. Stoga je ova metoda dobijanja napajanja za pobudu električne kočnice češća. Radni tok električnog kočenja ove metode je sljedeći:
(1) Prekidač strujnog kruga na izlazu uređaja se otvara i sistem se odvaja.
(2) Namotaj rotora je demagnetiziran.
(3) Prekidač napajanja na sekundarnoj strani pobudnog transformatora je otvoren.
(4) Prekidač kratkog spoja električne kočnice jedinice je zatvoren.
(5) Prekidač napajanja na sekundarnoj strani električnog kočionog transformatora je zatvoren.
(6) Tiristor ispravljačkog mosta se aktivira za provođenje, a jedinica ulazi u stanje električne kočnice.
(7) Kada je brzina jedinice nula, električna kočnica se otpušta (ako se koristi kombinovano kočenje, kada brzina dostigne 5% do 10% nazivne brzine, primjenjuje se mehaničko kočenje). 5. Inteligentni sistem pobude Inteligentna hidroelektrana odnosi se na hidroelektranu ili grupu hidroelektrana sa digitalizacijom informacija, komunikacijskim umrežavanjem, integrisanom standardizacijom, poslovnom interakcijom, optimizacijom rada i inteligentnim donošenjem odluka. Inteligentne hidroelektrane su vertikalno podijeljene na procesni sloj, sloj jedinice i sloj upravljanja stanicom, koristeći troslojnu strukturu sa 2 mreže mreže procesnog sloja (GOOSE mreža, SV mreža) i mreže sloja upravljanja stanicom (MMS mreža). Inteligentne hidroelektrane moraju biti podržane inteligentnom opremom. Kao osnovni sistem upravljanja generatorskim agregatom hidroturbine, tehnološki razvoj sistema pobude igra važnu ulogu u izgradnji inteligentnih hidroelektrana.
U inteligentnim hidroelektranama, pored obavljanja osnovnih zadataka kao što su pokretanje i zaustavljanje turbogeneratora, povećanje i smanjenje reaktivne snage i isključenje u slučaju nužde, sistem pobude treba da bude u stanju da zadovolji IEC61850 funkcije modeliranja podataka i komunikacije, te da podrži komunikaciju sa mrežom kontrolnog sloja stanice (MMS mreža) i mrežom procesnog sloja (GOOSE mreža i SV mreža). Uređaj sistema pobude je raspoređen na jediničnom sloju strukture sistema inteligentne hidroelektrane, a jedinica za spajanje, inteligentni terminal, pomoćna kontrolna jedinica i drugi uređaji ili inteligentna oprema su raspoređeni na procesnom sloju. Struktura sistema je prikazana na slici ispod.
Inteligentni sistem pobude
Glavni računar sloja upravljanja stanicom inteligentne hidroelektrane ispunjava zahtjeve komunikacijskog standarda IEC61850 i šalje signal sistema pobude glavnom računaru sistema za nadzor putem MMS mreže. Inteligentni sistem pobude trebao bi biti u mogućnosti da se poveže sa GOOSE mrežom i SV mrežnim prekidačima radi prikupljanja podataka na procesnom sloju. Procesni sloj zahtijeva da podaci koje šalju CT, PT i lokalne komponente budu u digitalnom obliku. CT i PT su povezani sa jedinicom za spajanje (elektronski transformatori su povezani optičkim kablovima, a elektromagnetni transformatori su povezani kablovima). Nakon što se podaci o struji i naponu digitalizuju, oni se povezuju sa SV mrežnim prekidačem putem optičkih kablova. Lokalne komponente moraju biti povezane sa inteligentnim terminalom putem kablova, a prekidač ili analogni signali se pretvaraju u digitalne signale i prenose do GOOSE mrežnog prekidača putem optičkih kablova. Trenutno, sistem pobude u osnovi ima komunikacijsku funkciju sa MMS mrežom sloja upravljanja stanicom i GOOSE/SV mrežom procesnog sloja. Pored ispunjavanja zahtjeva za interakciju mrežnih informacija prema komunikacijskom standardu IEC61850, inteligentni sistem pobude treba da ima i sveobuhvatno online praćenje, inteligentnu dijagnostiku grešaka i praktično testiranje i održavanje. Performanse i učinak primjene potpuno funkcionalnog inteligentnog uređaja za pobudu potrebno je testirati u budućim stvarnim inženjerskim primjenama.
Vrijeme objave: 09.10.2024.
