Řeky v přírodě mají všechny určitý sklon. Voda teče podél koryta řeky působením gravitace. Voda ve vysokých nadmořských výškách obsahuje hojnou potenciální energii. Pomocí hydraulických konstrukcí a elektromechanických zařízení lze energii vody přeměnit na elektrickou energii, tj. na výrobu vodní energie. Principem výroby vodní energie je elektromagnetická indukce, tj. když vodič protne magnetické siločáry v magnetickém poli, generuje proud. Mezi nimi je „pohyb“ vodiče v magnetickém poli dosažen tím, že proud vody působí na turbínu, čímž se přeměňuje energie vody na rotační mechanickou energii; a magnetické pole je téměř vždy tvořeno budicím proudem generovaným budicím systémem protékajícím vinutím rotoru generátoru, tj. magnetismus je generován elektřinou.
1. Co je to budicí systém? Aby synchronní generátor mohl provádět přeměnu energie, potřebuje stejnosměrné magnetické pole. Stejnosměrný proud, který toto magnetické pole generuje, se nazývá budicí proud generátoru. Obecně se proces vytváření magnetického pole v rotoru generátoru na principu elektromagnetické indukce nazývá budicí systém. Budicí systém označuje zařízení, které dodává budicí proud pro synchronní generátor. Je důležitou součástí synchronního generátoru. Obecně se skládá ze dvou hlavních částí: budicí napájecí jednotky a budicího regulátoru. Budicí napájecí jednotka dodává budicí proud do rotoru synchronního generátoru a budicí regulátor řídí výstup budicí napájecí jednotky podle vstupního signálu a daných regulačních kritérií.
2. Funkce budicího systému Budící systém má následující hlavní funkce: (1) Za normálních provozních podmínek dodává budicí proud generátoru a upravuje budicí proud podle daného zákona v závislosti na napětí na svorkách generátoru a zatížení, aby se udržela stabilita napětí. Proč lze udržet stabilitu napětí úpravou budicího proudu? Existuje přibližný vztah mezi indukovaným potenciálem (tj. potenciálem naprázdno) Ed vinutí statoru generátoru, napětím na svorkách Ug, jalovým proudem zátěže Ir generátoru a podélnou synchronní reaktancí Xd:
Indukovaný potenciál Ed je úměrný magnetickému toku a magnetický tok závisí na velikosti budicího proudu. Pokud se budicí proud nezmění, magnetický tok a indukovaný potenciál Ed zůstávají nezměněny. Z výše uvedeného vzorce je patrné, že svorkové napětí generátoru se s rostoucím jalovým proudem snižuje. Aby však byly splněny požadavky uživatele na kvalitu energie, svorkové napětí generátoru by mělo zůstat v podstatě nezměněno. Je zřejmé, že způsob, jak tohoto požadavku dosáhnout, je upravovat budicí proud generátoru podle změny jalového proudu Ir (tj. změny zátěže). (2) V závislosti na podmínkách zátěže se budicí proud upravuje podle daného pravidla pro úpravu jalového výkonu. Proč je nutné upravovat jalový výkon? Mnoho elektrických zařízení pracuje na principu elektromagnetické indukce, jako jsou transformátory, motory, svářečky atd. Všechna se spoléhají na vytvoření střídavého magnetického pole pro přeměnu a přenos energie. Elektrický výkon potřebný k vytvoření střídavého magnetického pole a indukovaného magnetického toku se nazývá jalový výkon. Všechna elektrická zařízení s elektromagnetickými cívkami spotřebovávají jalový výkon k vytvoření magnetického pole. Bez jalového výkonu se motor nebude otáčet, transformátor nebude schopen transformovat napětí a mnoho elektrických zařízení nebude fungovat. Jalový výkon proto v žádném případě není zbytečný. Za normálních okolností elektrická zařízení nejen získávají činný výkon z generátoru, ale také potřebují od generátoru získávat jalový výkon. Pokud je jalový výkon v elektrické síti nedostatek, elektrické zařízení nebude mít dostatek jalového výkonu k vytvoření normálního elektromagnetického pole. Tato elektrická zařízení pak nemohou udržet jmenovitý provoz a napětí na svorkách elektrického zařízení klesne, což ovlivní jeho normální provoz. Proto je nutné jalový výkon upravovat podle skutečného zatížení a jalový výkon generátoru souvisí s velikostí budicího proudu. Konkrétní princip zde nebude rozveden. (3) Pokud dojde ke zkratu v energetické soustavě nebo z jiných důvodů dojde k výraznému poklesu napětí na svorkách generátoru, lze generátor nuceně budit, aby se zlepšila dynamická stabilita energetické soustavy a přesnost reléové ochrany. (4) Pokud dojde k přepětí generátoru v důsledku náhlého odpojení zátěže a z jiných důvodů, lze generátor násilně demagnetizovat, aby se omezilo nadměrné zvýšení napětí na svorkách generátoru. (5) Zlepšení statické stability energetické soustavy. (6) Pokud dojde k mezifázovému zkratu uvnitř generátoru a na jeho přívodních vodičích nebo je napětí na svorkách generátoru příliš vysoké, provede se demagnetizace rychle, aby se omezilo šíření nehody. (7) Jalový výkon paralelních generátorů lze rozumně rozložit.
3. Klasifikace budicích systémů Podle způsobu, jakým generátor získává budicí proud (tj. podle způsobu napájení budicího zdroje), lze budicí systémy rozdělit na externí buzení a samobuzení: budicí proud získaný z jiných zdrojů napájení se nazývá externí buzení; budicí proud získaný ze samotného generátoru se nazývá samobuzení. Podle způsobu usměrnění lze rozdělit na rotační buzení a statické buzení. Statické budicí systémy nemají speciální budicí stroj. Pokud získávají budicí energii ze samotného generátoru, nazývají se samobuzením a statickým buzením. Samobuzení a statické buzení lze rozdělit na samoparalelní buzení a samoskládání.
Nejčastěji používanou metodou buzení je samoparalelní buzení (statické buzení), jak je znázorněno na obrázku níže. Budicí výkon se získává přes usměrňovací transformátor připojený k výstupu generátoru a po usměrnění dodává budicí proud generátoru.
Schéma zapojení budícího systému se samoparalelním buzením (statickým usměrňovačem)
Samoparalelní budicí systém statického budicího systému se skládá hlavně z následujících částí: budicí transformátor, usměrňovač, demagnetizační zařízení, regulační regulátor a přepěťová ochrana. Těchto pět částí plní následující funkce:
(1) Budicí transformátor: Snižte napětí na straně stroje na napětí odpovídající usměrňovači.
(2) Usměrňovač: Je to klíčová součást celého systému. K dokončení převodu ze střídavého proudu na stejnosměrný proud se často používá třífázový plně řízený můstkový obvod.
(3) Demagnetizační zařízení: Demagnetizační zařízení se skládá ze dvou částí, a to demagnetizačního spínače a demagnetizačního odporu. Toto zařízení je zodpovědné za rychlou demagnetizaci jednotky v případě nehody.
(4) Regulační regulátor: Řídicí zařízení budicího systému mění budicí proud řízením úhlu vedení tyristoru usměrňovače, čímž se dosáhne efektu regulace jalového výkonu a napětí generátoru.
(5) Ochrana proti přepětí: Když je v obvodu rotoru generátoru přepětí, obvod se zapne, aby spotřeboval energii přepětí, omezil hodnotu přepětí a chránil vinutí rotoru generátoru a k němu připojená zařízení.
Výhody statického budicího systému s vlastním paralelním buzením jsou: jednoduchá konstrukce, méně vybavení, nízké investice a menší nároky na údržbu. Nevýhodou je, že při zkratu generátoru nebo systému budící proud zmizí nebo výrazně klesne, zatímco v tomto okamžiku by se měl budící proud výrazně zvýšit (tj. nucené buzení). Vzhledem k tomu, že moderní velké jednotky většinou používají uzavřené přípojnice a vysokonapěťové elektrické sítě jsou obecně vybaveny rychlou ochranou a vysokou spolehlivostí, počet jednotek používajících tuto metodu buzení roste a je to také metoda buzení doporučená předpisy a specifikacemi. 4. Elektrické brzdění jednotky Při odlehčení a vypnutí jednotky se část mechanické energie ukládá díky obrovské rotační setrvačnosti rotoru. Tuto část energie lze zcela zastavit až po její přeměně na třecí tepelnou energii axiálního ložiska, vodicího ložiska a vzduchu. Protože ztráta třením vzduchu je úměrná druhé mocnině lineární rychlosti obvodu, otáčky rotoru nejprve velmi rychle klesají a poté se rotor dlouhodobě pohybuje na volnoběh při nízkých otáčkách. Pokud jednotka běží delší dobu při nízkých otáčkách, může se axiální pouzdro spálit, protože olejový film mezi zrcadlem pod axiální hlavou a ložiskovým pouzdrem nelze vytvořit. Z tohoto důvodu je nutné během procesu vypínání, když otáčky jednotky klesou na určitou stanovenou hodnotu, zavést brzdný systém jednotky. Brzdění jednotky se dělí na elektrické brzdění, mechanické brzdění a kombinované brzdění. Elektrické brzdění spočívá ve zkratování statoru třífázového generátoru na výstupu ze stroje po odpojení a demagnetizaci generátoru a čekání, až otáčky jednotky klesou na přibližně 50 % až 60 % jmenovitých otáček. Prostřednictvím série logických operací je zajištěn brzdný výkon a budicí regulátor se přepne do režimu elektrického brzdění, aby přidal budicí proud do vinutí rotoru generátoru. Protože se generátor otáčí, stator indukuje působením magnetického pole rotoru zkratový proud. Generovaný elektromagnetický moment je přímo opačný ke směru setrvačnosti rotoru, který hraje brzdnou roli. Při realizaci elektrického brzdění je nutné zajistit externí napájení brzdné energie, které úzce souvisí se strukturou hlavního obvodu budicího systému. Různé způsoby, jak získat napájení buzení elektrické brzdy, jsou znázorněny na obrázku níže.
Různé způsoby získání napájení pro buzení elektrické brzdy
V prvním případě je budicí zařízení samoparalelní metodou zapojení budicího zařízení. Když je konec stroje zkratován, budicí transformátor není napájen. Brzdné napájení je zajištěno z vyhrazeného brzdného transformátoru a brzdný transformátor je připojen k napájení elektrárny. Jak již bylo zmíněno výše, většina vodních elektráren používá samoparalelní budicí systém se statickým usměrňovačem a je ekonomičtější použít usměrňovací můstek pro budicí systém a elektrický brzdový systém. Proto je tato metoda získání napájení pro elektrické brzdění běžnější. Pracovní postup elektrického brzdění u této metody je následující:
(1) Jistič na výstupu jednotky se vypne a systém se odpojí.
(2) Vinutí rotoru je demagnetizováno.
(3) Vypínač na sekundární straně budicího transformátoru je rozpojen.
(4) Zkratovací spínač elektrické brzdy jednotky je sepnutý.
(5) Vypínač na sekundární straně elektrického brzdového transformátoru je sepnutý.
(6) Tyristor usměrňovacího můstku se aktivuje a jednotka přejde do stavu elektrické brzdy.
(7) Když je rychlost jednotky nulová, uvolní se elektrická brzda (pokud se používá kombinované brzdění, když rychlost dosáhne 5 % až 10 % jmenovitých otáček, aktivuje se mechanické brzdění). 5. Inteligentní budicí systém Inteligentní vodní elektrárna označuje vodní elektrárnu nebo skupinu vodních elektráren s digitalizací informací, komunikační sítí, integrovanou standardizací, obchodní interakcí, optimalizací provozu a inteligentním rozhodováním. Inteligentní vodní elektrárny jsou vertikálně rozděleny na procesní vrstvu, vrstvu jednotky a vrstvu řízení stanice s využitím třívrstvé 2síťové struktury sítě procesní vrstvy (síť GOOSE, síť SV) a sítě řídicí vrstvy stanice (síť MMS). Inteligentní vodní elektrárny musí být podporovány inteligentním zařízením. Technologický vývoj budicího systému hraje důležitou podpůrnou roli při konstrukci inteligentních vodních elektráren.
V inteligentních vodních elektrárnách by měl budicí systém kromě plnění základních úkolů, jako je spouštění a zastavování turbogenerátoru, zvyšování a snižování jalového výkonu a nouzové vypnutí, také splňovat funkce modelování dat a komunikace podle IEC61850 a podporovat komunikaci se sítí řídicí vrstvy elektrárny (síť MMS) a sítí procesní vrstvy (síť GOOSE a síť SV). Zařízení budicího systému je uspořádáno na jednotkové vrstvě struktury systému inteligentní vodní elektrárny a slučovací jednotka, inteligentní terminál, pomocná řídicí jednotka a další zařízení nebo inteligentní vybavení jsou uspořádány na procesní vrstvě. Struktura systému je znázorněna na obrázku níže.
Inteligentní budicí systém
Hostitelský počítač řídicí vrstvy inteligentní vodní elektrárny splňuje požadavky komunikační normy IEC61850 a odesílá signál budicího systému do hostitelského počítače monitorovacího systému prostřednictvím sítě MMS. Inteligentní budicí systém by měl být schopen se připojit k síti GOOSE a síťovým přepínačům SV pro sběr dat na procesní vrstvě. Procesní vrstva vyžaduje, aby výstupní data z CT, PT a lokálních komponent byla v digitální podobě. CT a PT jsou připojeny ke slučovací jednotce (elektronické transformátory jsou připojeny optickými kabely a elektromagnetické transformátory jsou připojeny kabely). Po digitalizaci dat proudu a napětí jsou připojeny k síťovému přepínači SV pomocí optických kabelů. Lokální komponenty musí být připojeny k inteligentnímu terminálu pomocí kabelů a signály přepínače nebo analogové signály jsou převedeny na digitální signály a přenášeny do síťového přepínače GOOSE pomocí optických kabelů. V současné době má budicí systém v podstatě komunikační funkci se sítí MMS řídicí vrstvy stanice a sítí GOOSE/SV procesní vrstvy. Kromě splnění požadavků na síťovou informační interakci dle komunikačního standardu IEC61850 by měl inteligentní budicí systém mít také komplexní online monitorování, inteligentní diagnostiku poruch a pohodlný zkušební provoz a údržbu. Výkon a aplikační efekt plně funkčního inteligentního budicího zařízení je třeba otestovat v budoucích reálných inženýrských aplikacích.
Čas zveřejnění: 9. října 2024
