Naturlige floder har alle en vis hældning. Vand strømmer langs flodlejet under tyngdekraftens påvirkning. Vand i store højder indeholder rigelig potentiel energi. Ved hjælp af hydrauliske strukturer og elektromekanisk udstyr kan vandets energi omdannes til elektrisk energi, det vil sige vandkraftproduktion. Princippet bag vandkraftproduktion er elektromagnetisk induktion, det vil sige, at når en leder skærer de magnetiske fluxlinjer i et magnetfelt, genererer den strøm. Blandt disse opnås lederens "bevægelse" i magnetfeltet ved, at vandstrømmen rammer turbinen for at omdanne vandenergi til rotationsmekanisk energi; og magnetfeltet dannes næsten altid af den excitationsstrøm, der genereres af excitationssystemet, der strømmer gennem generatorens rotorvikling, det vil sige, at magnetismen genereres af elektricitet.
1. Hvad er excitationssystemet? For at realisere energiomdannelsen har den synkrone generator brug for et DC-magnetfelt, og den DC-strøm, der genererer dette magnetfelt, kaldes generatorens excitationsstrøm. Generelt kaldes processen med at danne et magnetfelt i generatorens rotor i henhold til princippet om elektromagnetisk induktion excitation. Excitationssystemet refererer til det udstyr, der leverer excitationsstrøm til den synkrone generator. Det er en vigtig del af den synkrone generator. Det består generelt af to hoveddele: excitationseffektenheden og excitationsregulatoren. Excitationseffektenheden leverer excitationsstrøm til den synkrone generators rotor, og excitationsregulatoren styrer excitationseffektenhedens output i henhold til indgangssignalet og de givne reguleringskriterier.
2. Excitationssystemets funktion Excitationssystemet har følgende hovedfunktioner: (1) Under normale driftsforhold leverer det generatorens excitationsstrøm og justerer excitationsstrømmen i henhold til den givne lov i henhold til generatorens terminalspænding og belastningsforhold for at opretholde spændingsstabilitet. Hvorfor kan spændingsstabilitet opretholdes ved at justere excitationsstrømmen? Der er et omtrentligt forhold mellem det inducerede potentiale (dvs. tomgangspotentiale) Ed for generatorens statorvikling, terminalspændingen Ug, generatorens reaktive belastningsstrøm Ir og den longitudinelle synkrone reaktans Xd:
Det inducerede potentiale Ed er proportionalt med den magnetiske flux, og den magnetiske flux afhænger af størrelsen af excitationsstrømmen. Når excitationsstrømmen forbliver uændret, forbliver den magnetiske flux og det inducerede potentiale Ed uændrede. Ud fra ovenstående formel kan det ses, at generatorens terminalspænding vil falde med stigende reaktiv strøm. For at opfylde brugerens krav til effektkvalitet bør generatorens terminalspænding dog stort set forblive uændret. Måden at opnå dette krav på er naturligvis at justere generatorens excitationsstrøm, når den reaktive strøm Ir ændrer sig (dvs. belastningen ændrer sig). (2) I henhold til belastningsforholdene justeres excitationsstrømmen i henhold til en given regel for at justere den reaktive effekt. Hvorfor er det nødvendigt at justere den reaktive effekt? Meget elektrisk udstyr fungerer baseret på princippet om elektromagnetisk induktion, såsom transformere, motorer, svejsemaskiner osv. De er alle afhængige af etableringen af et vekslende magnetfelt for at konvertere og overføre energi. Den elektriske effekt, der kræves for at etablere et vekslende magnetfelt og induceret magnetisk flux, kaldes reaktiv effekt. Alt elektrisk udstyr med elektromagnetiske spoler forbruger reaktiv effekt for at etablere et magnetfelt. Uden reaktiv effekt vil motoren ikke rotere, transformeren vil ikke være i stand til at transformere spændingen, og meget elektrisk udstyr vil ikke fungere. Derfor er reaktiv effekt på ingen måde ubrugelig effekt. Under normale omstændigheder får elektrisk udstyr ikke kun aktiv effekt fra generatoren, men skal også hente reaktiv effekt fra generatoren. Hvis der er mangel på reaktiv effekt i elnettet, vil det elektriske udstyr ikke have tilstrækkelig reaktiv effekt til at etablere et normalt elektromagnetisk felt. Så kan dette elektriske udstyr ikke opretholde nominel drift, og terminalspændingen på det elektriske udstyr vil falde, hvilket påvirker den normale drift af det elektriske udstyr. Derfor er det nødvendigt at justere den reaktive effekt i henhold til den faktiske belastning, og den reaktive effekt, der udsendes af generatoren, er relateret til størrelsen af excitationsstrømmen. Det specifikke princip vil ikke blive uddybet her. (3) Når der opstår en kortslutningsulykke i elsystemet, eller andre årsager forårsager et alvorligt fald i generatorens terminalspænding, kan generatoren tvinges til at exciteres for at forbedre elsystemets dynamiske stabilitetsgrænse og nøjagtigheden af relæbeskyttelsen. (4) Når generatorens overspænding opstår på grund af pludselig belastningsudfald og andre årsager, kan generatoren afmagnetiseres med magt for at begrænse den overdrevne stigning i generatorens terminalspænding. (5) Forbedre elsystemets statiske stabilitet. (6) Når der opstår en fase-til-fase-kortslutning inde i generatoren og på dens ledninger, eller generatorens terminalspænding er for høj, udføres afmagnetisering hurtigt for at begrænse ulykkens spredning. (7) Den reaktive effekt fra de parallelle generatorer kan fordeles rimeligt.
3. Klassificering af excitationssystemer I henhold til den måde, generatoren opnår excitationsstrømmen på (dvs. forsyningsmetoden til excitationsstrømforsyningen), kan excitationssystemet opdeles i ekstern excitation og selvexcitation: excitationsstrømmen, der opnås fra andre strømforsyninger, kaldes ekstern excitation; excitationsstrømmen, der opnås fra selve generatoren, kaldes selvexcitation. Ifølge ensretningsmetoden kan det opdeles i roterende excitation og statisk excitation. Det statiske excitationssystem har ikke en speciel excitationsmaskine. Hvis det opnår excitationseffekten fra selve generatoren, kaldes det selvexcitation statisk excitation. Selvexcitation statisk excitation kan opdeles i selvparallel excitation og selvsammensættende excitation.
Den mest almindeligt anvendte excitationsmetode er selvparallel excitation med statisk excitation, som vist på figuren nedenfor. Den opnår excitationseffekten gennem ensrettertransformeren, der er tilsluttet generatorens udgang, og leverer generatorens excitationsstrøm efter ensretning.
Ledningsdiagram for selvparallelt excitationssystem med statisk ensretter
Det selvparallelle statiske excitationssystem består hovedsageligt af følgende dele: excitationstransformer, ensretter, afmagnetiseringsenhed, reguleringscontroller og overspændingsbeskyttelsesenhed. Disse fem dele udfører henholdsvis følgende funktioner:
(1) Magnetiseringstransformer: Reducer spændingen ved maskinenden til en spænding, der matcher ensretteren.
(2) Ensretter: Det er kernekomponenten i hele systemet. Et trefaset fuldt styret brokredsløb bruges ofte til at udføre konverteringen fra AC til DC.
(3) Afmagnetiseringsenhed: Afmagnetiseringsenheden består af to dele, nemlig afmagnetiseringskontakten og afmagnetiseringsmodstanden. Denne enhed er ansvarlig for hurtig afmagnetisering af enheden i tilfælde af en ulykke.
(4) Reguleringsregulator: Styreenheden i excitationssystemet ændrer excitationsstrømmen ved at styre ledningsvinklen for tyristoren i ensretterenheden for at opnå effekten af at regulere generatorens reaktive effekt og spænding.
(5) Overspændingsbeskyttelse: Når generatorens rotorkredsløb har en overspænding, tændes kredsløbet for at forbruge overspændingsenergien, begrænse overspændingsværdien og beskytte generatorens rotorvikling og dens tilsluttede udstyr.
Fordelene ved det selvparallelle statiske excitationssystem er: enkel struktur, mindre udstyr, lave investeringer og mindre vedligeholdelse. Ulempen er, at når generatoren eller systemet kortsluttes, vil excitationsstrømmen forsvinde eller falde kraftigt, mens excitationsstrømmen bør øges kraftigt (dvs. tvungen excitation) på dette tidspunkt. I betragtning af at moderne store enheder for det meste bruger lukkede samleskinner, og højspændingsnet generelt er udstyret med hurtig beskyttelse og høj pålidelighed, stiger antallet af enheder, der bruger denne excitationsmetode, og dette er også den excitationsmetode, der anbefales af forskrifter og specifikationer. 4. Elektrisk bremsning af enheden Når enheden aflastes og lukkes ned, lagres en del af den mekaniske energi på grund af rotorens enorme rotationsinerti. Denne del af energien kan kun stoppes helt, efter at den er omdannet til friktionsvarmeenergi fra tryklejet, føringslejet og luften. Da luftens friktionstab er proportionalt med kvadratet af den lineære hastighed af omkredsen, falder rotorens hastighed meget hurtigt i starten, og derefter vil den gå i tomgang i lang tid ved lav hastighed. Når enheden kører i lang tid ved lav hastighed, kan trykbøsningen brænde ud, fordi oliefilmen mellem spejlpladen under trykhovedet og lejebøsningen ikke kan etableres. Af denne grund skal enhedens bremsesystem tages i brug under nedlukningsprocessen, når enhedens hastighed falder til en bestemt værdi. Enhedsbremsningen er opdelt i elektrisk bremsning, mekanisk bremsning og kombineret bremsning. Elektrisk bremsning er at kortslutte trefasede generatorstatoren ved maskinens udløb, efter at generatoren er afkoblet og afmagnetiseret, og vente på, at enhedens hastighed falder til ca. 50% til 60% af den nominelle hastighed. Gennem en række logiske operationer tilvejebringes bremsekraften, og excitationsregulatoren skifter til elektrisk bremsetilstand for at tilføje excitationsstrøm til generatorens rotorvikling. Fordi generatoren roterer, inducerer statoren en kortslutningsstrøm under påvirkning af rotorens magnetfelt. Det genererede elektromagnetiske drejningsmoment er lige modsat rotorens inertieretning, som spiller en bremsende rolle. I forbindelse med realisering af elektrisk bremsning skal bremsestrømforsyningen tilføres eksternt, hvilket er tæt forbundet med excitationssystemets hovedkredsløbsstruktur. Forskellige måder at opnå den elektriske bremseexcitationsstrømforsyning på er vist i figuren nedenfor.
Forskellige måder at få strømforsyningen til den elektriske bremseexcitation
I den første metode er excitationsenheden en selvparallel excitationsledningsføringsmetode. Når maskinenden kortsluttes, har excitationstransformeren ingen strømforsyning. Bremsestrømforsyningen kommer fra en dedikeret bremsetransformer, og bremsetransformeren er forbundet til kraftværkets strøm. Som nævnt ovenfor bruger de fleste vandkraftprojekter et selvparallelt excitationssystem med statisk ensretter, og det er mere økonomisk at bruge en ensretterbro til excitationssystemet og det elektriske bremsesystem. Derfor er denne metode til at opnå den elektriske bremseexcitationsstrømforsyning mere almindelig. Den elektriske bremsearbejdsgang for denne metode er som følger:
(1) Enhedens udgangsafbryder åbnes, og systemet afkobles.
(2) Rotorviklingen er afmagnetiseret.
(3) Afbryderen på sekundærsiden af excitationstransformeren åbnes.
(4) Kortslutningsafbryderen til enhedens elektriske bremse er lukket.
(5) Afbryderen på sekundærsiden af den elektriske bremsetransformer er lukket.
(6) Ensretterbroens tyristor udløses til at lede, og enheden går i elektrisk bremsetilstand.
(7) Når enhedens hastighed er nul, udløses den elektriske bremse (hvis der anvendes kombineret bremsning, aktiveres mekanisk bremsning, når hastigheden når 5% til 10% af den nominelle hastighed). 5. Intelligent excitationssystem Intelligent vandkraftværk refererer til et vandkraftværk eller en vandkraftværksgruppe med informationsdigitalisering, kommunikationsnetværk, integreret standardisering, forretningsinteraktion, driftsoptimering og intelligent beslutningstagning. Intelligente vandkraftværker er vertikalt opdelt i proceslag, enhedslag og stationskontrollag ved hjælp af en 3-lags 2-netværksstruktur af proceslagsnetværk (GOOSE-netværk, SV-netværk) og stationskontrollagsnetværk (MMS-netværk). Intelligente vandkraftværker skal understøttes af intelligent udstyr. Som det centrale kontrolsystem i vandturbinegeneratorsættet spiller den teknologiske udvikling af excitationssystemet en vigtig støttende rolle i konstruktionen af intelligente vandkraftværker.
I intelligente vandkraftværker skal excitationssystemet, udover at udføre grundlæggende opgaver som start og stop af turbinegeneratorsættet, øgning og reduktion af reaktiv effekt og nødnedlukning, også kunne opfylde IEC61850-datamodellerings- og kommunikationsfunktionerne og understøtte kommunikation med stationskontrollagsnetværket (MMS-netværk) og proceslagsnetværket (GOOSE-netværk og SV-netværk). Excitationssystemenheden er arrangeret på enhedslaget i den intelligente vandkraftværkssystemstruktur, og den sammenflettede enhed, intelligent terminal, hjælpekontrolenhed og andre enheder eller intelligent udstyr er arrangeret på proceslaget. Systemstrukturen er vist i figuren nedenfor.
Intelligent excitationssystem
Værtscomputeren i stationsstyringslaget i det intelligente vandkraftværk opfylder kravene i IEC61850-kommunikationsstandarden og sender signalet fra excitationssystemet til værtscomputeren i overvågningssystemet via MMS-netværket. Det intelligente excitationssystem skal kunne oprette forbindelse til GOOSE-netværket og SV-netværksswitchene for at indsamle data på proceslaget. Proceslaget kræver, at dataoutputtet fra CT, PT og lokale komponenter alle er i digital form. CT og PT er forbundet til den sammenflettede enhed (elektroniske transformere er forbundet med optiske kabler, og elektromagnetiske transformere er forbundet med kabler). Efter at strøm- og spændingsdataene er digitaliseret, forbindes de til SV-netværksswitchen via optiske kabler. De lokale komponenter skal forbindes til den intelligente terminal via kabler, og switch- eller analoge signaler konverteres til digitale signaler og transmitteres til GOOSE-netværksswitchen via optiske kabler. I øjeblikket har excitationssystemet grundlæggende kommunikationsfunktionen med stationsstyringslagets MMS-netværk og proceslagets GOOSE/SV-netværk. Ud over at opfylde netværksinformationsinteraktionskravene i henhold til IEC61850-kommunikationsstandarden, skal det intelligente excitationssystem også have omfattende onlineovervågning, intelligent fejldiagnose og bekvem testdrift og vedligeholdelse. Ydeevnen og anvendelseseffekten af den fuldt funktionelle intelligente excitationsenhed skal testes i fremtidige faktiske tekniske applikationer.
Opslagstidspunkt: 9. oktober 2024
