Els rius a la natura tenen tots un cert pendent. L'aigua flueix al llarg del llit del riu sota l'acció de la gravetat. L'aigua a gran altitud conté abundant energia potencial. Amb l'ajuda d'estructures hidràuliques i equips electromecànics, l'energia de l'aigua es pot convertir en energia elèctrica, és a dir, generació d'energia hidroelèctrica. El principi de la generació d'energia hidroelèctrica és la nostra inducció electromagnètica, és a dir, quan un conductor talla les línies de flux magnètic en un camp magnètic, generarà corrent. Entre ells, el "moviment" del conductor en el camp magnètic s'aconsegueix mitjançant el flux d'aigua que impacta la turbina per convertir l'energia de l'aigua en energia mecànica de rotació; i el camp magnètic gairebé sempre es forma pel corrent d'excitació generat pel sistema d'excitació que flueix a través del bobinatge del rotor del generador, és a dir, el magnetisme es genera per electricitat.
1. Què és el sistema d'excitació? Per tal de realitzar la conversió d'energia, el generador síncron necessita un camp magnètic de corrent continu, i el corrent continu que genera aquest camp magnètic s'anomena corrent d'excitació del generador. Generalment, el procés de formació d'un camp magnètic al rotor del generador segons el principi d'inducció electromagnètica s'anomena excitació. El sistema d'excitació fa referència a l'equip que proporciona corrent d'excitació per al generador síncron. És una part important del generador síncron. Generalment consta de dues parts principals: la unitat de potència d'excitació i el regulador d'excitació. La unitat de potència d'excitació proporciona corrent d'excitació al rotor del generador síncron, i el regulador d'excitació controla la sortida de la unitat de potència d'excitació segons el senyal d'entrada i els criteris de regulació donats.
2. Funció del sistema d'excitació El sistema d'excitació té les funcions principals següents: (1) En condicions normals de funcionament, subministra el corrent d'excitació del generador i ajusta el corrent d'excitació segons la llei donada en funció de la tensió del terminal del generador i les condicions de càrrega per mantenir l'estabilitat de la tensió. Per què es pot mantenir l'estabilitat de la tensió ajustant el corrent d'excitació? Hi ha una relació aproximada entre el potencial induït (és a dir, el potencial sense càrrega) Ed del debanat de l'estator del generador, la tensió del terminal Ug, el corrent de càrrega reactiva Ir del generador i la reactància síncrona longitudinal Xd:
El potencial induït Ed és proporcional al flux magnètic, i el flux magnètic depèn de la magnitud del corrent d'excitació. Quan el corrent d'excitació roman sense canvis, el flux magnètic i el potencial induït Ed romanen sense canvis. A partir de la fórmula anterior, es pot veure que la tensió terminal del generador disminuirà amb l'augment del corrent reactiu. Tanmateix, per tal de satisfer els requisits de l'usuari pel que fa a la qualitat de l'energia, la tensió terminal del generador hauria de romandre bàsicament sense canvis. Òbviament, la manera d'aconseguir aquest requisit és ajustar el corrent d'excitació del generador a mesura que canvia el corrent reactiu Ir (és a dir, canvia la càrrega). (2) Segons les condicions de càrrega, el corrent d'excitació s'ajusta segons una regla determinada per ajustar la potència reactiva. Per què cal ajustar la potència reactiva? Molts equips elèctrics funcionen basant-se en el principi de la inducció electromagnètica, com ara transformadors, motors, màquines de soldar, etc. Tots es basen en l'establiment d'un camp magnètic altern per convertir i transferir energia. L'energia elèctrica necessària per establir un camp magnètic altern i un flux magnètic induït s'anomena potència reactiva. Tots els equips elèctrics amb bobines electromagnètiques consumeixen energia reactiva per establir un camp magnètic. Sense potència reactiva, el motor no girarà, el transformador no podrà transformar el voltatge i molts equips elèctrics no funcionaran. Per tant, la potència reactiva no és, de cap manera, una potència inútil. En circumstàncies normals, els equips elèctrics no només obtenen potència activa del generador, sinó que també necessiten obtenir potència reactiva del generador. Si la potència reactiva a la xarxa elèctrica és escassa, els equips elèctrics no tindran prou potència reactiva per establir un camp electromagnètic normal. Aleshores, aquests equips elèctrics no podran mantenir el funcionament nominal i la tensió del terminal dels equips elèctrics baixarà, cosa que afectarà el funcionament normal dels equips elèctrics. Per tant, cal ajustar la potència reactiva segons la càrrega real, i la potència reactiva de sortida del generador està relacionada amb la magnitud del corrent d'excitació. El principi específic no s'explicarà aquí. (3) Quan es produeix un accident de curtcircuit al sistema d'alimentació o altres motius fan que la tensió del terminal del generador caigui seriosament, el generador es pot excitar a la força per millorar el límit d'estabilitat dinàmica del sistema d'alimentació i la precisió de l'acció de protecció del relé. (4) Quan es produeix una sobretensió del generador a causa d'una descàrrega sobtada i altres motius, el generador es pot desmagnetitzar forçadament per limitar l'augment excessiu de la tensió del terminal del generador. (5) Millorar l'estabilitat estàtica del sistema d'alimentació. (6) Quan es produeix un curtcircuit entre fases dins del generador i als seus cables o la tensió del terminal del generador és massa alta, la desmagnetització es duu a terme ràpidament per limitar l'expansió de l'accident. (7) La potència reactiva dels generadors en paral·lel es pot distribuir raonablement.
3. Classificació dels sistemes d'excitació Segons la manera com el generador obté el corrent d'excitació (és a dir, el mètode de subministrament de la font d'alimentació d'excitació), el sistema d'excitació es pot dividir en excitació externa i autoexcitació: el corrent d'excitació obtingut d'altres fonts d'alimentació s'anomena excitació externa; el corrent d'excitació obtingut del propi generador s'anomena autoexcitació. Segons el mètode de rectificació, es pot dividir en excitació rotativa i excitació estàtica. El sistema d'excitació estàtica no té una màquina d'excitació especial. Si obté la potència d'excitació del propi generador, s'anomena excitació estàtica d'autoexcitació. L'excitació estàtica d'autoexcitació es pot dividir en excitació autoparal·lela i excitació autocomposta.
El mètode d'excitació més utilitzat és l'excitació estàtica d'autoexcitació en paral·lel, com es mostra a la figura següent. Obté la potència d'excitació a través del transformador rectificador connectat a la presa del generador i subministra el corrent d'excitació del generador després de la rectificació.
Diagrama de cablejat del sistema d'excitació rectificador estàtic d'excitació autoparal·lela
El sistema d'excitació estàtica d'autoexcitació paral·lela consta principalment de les parts següents: transformador d'excitació, rectificador, dispositiu de desmagnetització, controlador de regulació i dispositiu de protecció contra sobretensions. Aquestes cinc parts completen respectivament les funcions següents:
(1) Transformador d'excitació: Redueix la tensió a l'extrem de la màquina a una tensió que coincideixi amb la del rectificador.
(2) Rectificador: És el component central de tot el sistema. Sovint s'utilitza un circuit de pont trifàsic totalment controlat per completar la tasca de conversió de CA a CC.
(3) Dispositiu de desmagnetització: El dispositiu de desmagnetització consta de dues parts, és a dir, l'interruptor de desmagnetització i la resistència de desmagnetització. Aquest dispositiu és responsable de la ràpida desmagnetització de la unitat en cas d'accident.
(4) Controlador de regulació: el dispositiu de control del sistema d'excitació canvia el corrent d'excitació controlant l'angle de conducció del tiristor del dispositiu rectificador per aconseguir l'efecte de regular la potència reactiva i el voltatge del generador.
(5) Protecció contra sobretensió: Quan el circuit del rotor del generador té una sobretensió, el circuit s'activa per consumir l'energia de sobretensió, limitar el valor de sobretensió i protegir el bobinatge del rotor del generador i els seus equips connectats.
Els avantatges del sistema d'excitació estàtica d'autoexcitació paral·lela són: estructura senzilla, menys equipament, baixa inversió i menys manteniment. El desavantatge és que quan el generador o el sistema es curtcircuiten, el corrent d'excitació desapareixerà o disminuirà considerablement, mentre que el corrent d'excitació hauria d'augmentar considerablement (és a dir, excitació forçada) en aquest moment. Tanmateix, tenint en compte que les grans unitats modernes utilitzen principalment barres colectores tancades, i les xarxes elèctriques d'alta tensió generalment estan equipades amb una protecció ràpida i una alta fiabilitat, el nombre d'unitats que utilitzen aquest mètode d'excitació està augmentant, i aquest també és el mètode d'excitació recomanat per les normatives i especificacions. 4. Frenada elèctrica de la unitat Quan la unitat es descarrega i s'apaga, una part de l'energia mecànica s'emmagatzema a causa de l'enorme inèrcia de rotació del rotor. Aquesta part de l'energia només es pot aturar completament després de convertir-se en energia calorífica per fricció del coixinet d'empenta, el coixinet guia i l'aire. Com que la pèrdua per fricció de l'aire és proporcional al quadrat de la velocitat lineal de la circumferència, la velocitat del rotor disminueix molt ràpidament al principi i després estarà al ralentí durant molt de temps a baixa velocitat. Quan la unitat funciona durant molt de temps a baixa velocitat, el coixinet d'empenta es pot cremar perquè no es pot establir la pel·lícula d'oli entre la placa del mirall sota el capçal d'empenta i el coixinet del coixinet. Per aquest motiu, durant el procés d'apagada, quan la velocitat de la unitat baixa a un cert valor especificat, cal posar en funcionament el sistema de frenada de la unitat. La frenada de la unitat es divideix en frenada elèctrica, frenada mecànica i frenada combinada. La frenada elèctrica consisteix a curtcircuitar l'estator del generador trifàsic a la sortida de l'extrem de la màquina després que el generador s'hagi desacoblat i desmagnetitzat, i esperar que la velocitat de la unitat baixi a aproximadament un 50% o un 60% de la velocitat nominal. Mitjançant una sèrie d'operacions lògiques, es proporciona la potència de frenada i el regulador d'excitació canvia al mode de frenada elèctrica per afegir corrent d'excitació al debanament del rotor del generador. Com que el generador gira, l'estator indueix un corrent de curtcircuit sota l'acció del camp magnètic del rotor. El parell electromagnètic generat és just oposat a la direcció d'inèrcia del rotor, que juga un paper de frenada. En el procés de realització de la frenada elèctrica, l'alimentació de frenada s'ha de proporcionar externament, cosa que està estretament relacionada amb l'estructura del circuit principal del sistema d'excitació. A la figura següent es mostren diverses maneres d'obtenir l'alimentació d'excitació del fre elèctric.
Diverses maneres d'obtenir l'alimentació d'excitació del fre elèctric
En el primer cas, el dispositiu d'excitació és un mètode de cablejat d'excitació en autoparal·lel. Quan l'extrem de la màquina està curtcircuitat, el transformador d'excitació no té font d'alimentació. L'alimentació de frenada prové d'un transformador de fre dedicat, i el transformador de fre està connectat a l'alimentació de la planta. Com s'ha esmentat anteriorment, la majoria de projectes hidroelèctrics utilitzen un sistema d'excitació rectificador estàtic d'excitació en autoparal·lel, i és més econòmic utilitzar un pont rectificador per al sistema d'excitació i el sistema de fre elèctric. Per tant, aquest mètode per obtenir l'alimentació d'excitació del fre elèctric és més comú. El flux de treball de frenada elèctrica d'aquest mètode és el següent:
(1) S'obre l'interruptor de la presa de corrent de la unitat i es desacobla el sistema.
(2) El bobinatge del rotor està desmagnetitzat.
(3) L'interruptor d'alimentació del costat secundari del transformador d'excitació s'obre.
(4) L'interruptor de curtcircuit del fre elèctric de la unitat està tancat.
(5) L'interruptor d'alimentació del costat secundari del transformador de fre elèctric està tancat.
(6) El tiristor del pont rectificador s'activa per conduir i la unitat entra en estat de fre elèctric.
(7) Quan la velocitat de la unitat és zero, el fre elèctric s'allibera (si s'utilitza un frenat combinat, quan la velocitat arriba al 5% al 10% de la velocitat nominal, s'aplica el frenat mecànic). 5. Sistema d'excitació intel·ligent La central hidroelèctrica intel·ligent fa referència a una central hidroelèctrica o un grup de centrals hidroelèctriques amb digitalització d'informació, xarxa de comunicació, estandardització integrada, interacció empresarial, optimització d'operacions i presa de decisions intel·ligent. Les centrals hidroelèctriques intel·ligents es divideixen verticalment en capa de procés, capa d'unitat i capa de control d'estació, utilitzant una estructura de 3 capes i 2 xarxes de xarxa de capa de procés (xarxa GOOSE, xarxa SV) i xarxa de capa de control d'estació (xarxa MMS). Les centrals hidroelèctriques intel·ligents han de ser suportades per equips intel·ligents. Com a sistema de control central del grup electrogen de turbina hidroelèctrica, el desenvolupament tecnològic del sistema d'excitació juga un paper important en la construcció de centrals hidroelèctriques intel·ligents.
En les centrals hidroelèctriques intel·ligents, a més de completar tasques bàsiques com ara l'arrencada i l'aturada del grup turbina-generador, l'augment i la disminució de la potència reactiva i l'aturada d'emergència, el sistema d'excitació també ha de poder complir les funcions de modelatge de dades i comunicació de la norma IEC61850, i admetre la comunicació amb la xarxa de la capa de control de l'estació (xarxa MMS) i la xarxa de la capa de procés (xarxa GOOSE i xarxa SV). El dispositiu del sistema d'excitació està disposat a la capa d'unitat de l'estructura del sistema de la central hidroelèctrica intel·ligent, i la unitat de fusió, el terminal intel·ligent, la unitat de control auxiliar i altres dispositius o equips intel·ligents estan disposats a la capa de procés. L'estructura del sistema es mostra a la figura següent.
Sistema d'excitació intel·ligent
L'ordinador amfitrió de la capa de control de l'estació de la central hidroelèctrica intel·ligent compleix els requisits de l'estàndard de comunicació IEC61850 i envia el senyal del sistema d'excitació a l'ordinador amfitrió del sistema de monitorització a través de la xarxa MMS. El sistema d'excitació intel·ligent hauria de poder connectar-se amb la xarxa GOOSE i els commutadors de xarxa SV per recopilar dades a la capa de procés. La capa de procés requereix que les dades de sortida del CT, PT i components locals siguin totes en format digital. El CT i el PT estan connectats a la unitat de fusió (els transformadors electrònics estan connectats mitjançant cables òptics i els transformadors electromagnètics estan connectats mitjançant cables). Després de digitalitzar les dades de corrent i voltatge, es connecten al commutador de xarxa SV mitjançant cables òptics. Els components locals han d'estar connectats al terminal intel·ligent mitjançant cables i els senyals de commutació o analògics es converteixen en senyals digitals i es transmeten al commutador de xarxa GOOSE mitjançant cables òptics. Actualment, el sistema d'excitació té bàsicament la funció de comunicació amb la xarxa MMS de la capa de control de l'estació i la xarxa GOOSE/SV de la capa de procés. A més de complir amb la interacció d'informació de xarxa de l'estàndard de comunicació IEC61850, el sistema d'excitació intel·ligent també hauria de tenir una monitorització en línia completa, un diagnòstic intel·ligent de fallades i un funcionament i manteniment de prova convenients. El rendiment i l'efecte de l'aplicació del dispositiu d'excitació intel·ligent completament funcional s'han de provar en futures aplicacions d'enginyeria reals.
Data de publicació: 09 d'octubre de 2024
