Flüsse in der Natur weisen alle ein gewisses Gefälle auf. Wasser fließt unter der Einwirkung der Schwerkraft entlang des Flussbetts. Wasser in großen Höhen enthält reichlich potenzielle Energie. Mithilfe von hydraulischen Strukturen und elektromechanischen Geräten kann die Energie des Wassers in elektrische Energie umgewandelt werden, d. h. durch Wasserkrafterzeugung. Das Prinzip der Wasserkrafterzeugung beruht auf elektromagnetischer Induktion. Das heißt, wenn ein Leiter die magnetischen Flusslinien in einem Magnetfeld schneidet, erzeugt er Strom. Die „Bewegung“ des Leiters im Magnetfeld wird dadurch erreicht, dass der Wasserfluss auf die Turbine trifft, wodurch Wasserenergie in mechanische Rotationsenergie umgewandelt wird. Das Magnetfeld wird fast immer durch den Erregerstrom gebildet, der vom Erregersystem erzeugt wird und durch die Rotorwicklung des Generators fließt. Das heißt, der Magnetismus wird durch Elektrizität erzeugt.
1. Was ist das Erregersystem? Zur Energieumwandlung benötigt der Synchrongenerator ein Gleichstrommagnetfeld. Der Gleichstrom, der dieses Magnetfeld erzeugt, wird als Erregerstrom des Generators bezeichnet. Der Vorgang der Magnetfeldbildung im Rotor des Generators nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion wird allgemein als Erregung bezeichnet. Das Erregersystem bezeichnet die Anlage, die den Erregerstrom für den Synchrongenerator bereitstellt. Es ist ein wichtiger Bestandteil des Synchrongenerators. Es besteht im Allgemeinen aus zwei Hauptteilen: dem Erregernetzteil und dem Erregerregler. Das Erregernetzteil versorgt den Rotor des Synchrongenerators mit Erregerstrom, und der Erregerregler regelt dessen Leistung entsprechend dem Eingangssignal und den vorgegebenen Regelungskriterien.
2. Funktion des Erregersystems Das Erregersystem hat folgende Hauptfunktionen: (1) Unter normalen Betriebsbedingungen liefert es den Generatorerregerstrom und passt den Erregerstrom gemäß der vorgegebenen Regel entsprechend der Generatorklemmenspannung und den Lastbedingungen an, um die Spannungsstabilität aufrechtzuerhalten. Warum kann die Spannungsstabilität durch Anpassung des Erregerstroms aufrechterhalten werden? Es besteht eine ungefähre Beziehung zwischen dem induzierten Potenzial (d. h. Leerlaufpotenzial) Ed der Generatorstatorwicklung, der Klemmenspannung Ug, dem Blindlaststrom Ir des Generators und der Längssynchronreaktanz Xd:
Das induzierte Potenzial Ed ist proportional zum magnetischen Fluss, der wiederum von der Stärke des Erregerstroms abhängt. Bei unverändertem Erregerstrom bleiben auch der magnetische Fluss und das induzierte Potenzial Ed unverändert. Aus der obigen Formel lässt sich ersehen, dass die Klemmenspannung des Generators mit steigendem Blindstrom sinkt. Um jedoch die Anforderungen des Anwenders an die Stromqualität zu erfüllen, sollte die Klemmenspannung des Generators grundsätzlich unverändert bleiben. Dies lässt sich erreichen, indem der Erregerstrom des Generators an den sich ändernden Blindstrom Ir (d. h. an die Last) angepasst wird. (2) Je nach Lastbedingungen wird der Erregerstrom nach einer vorgegebenen Regel angepasst, um die Blindleistung anzupassen. Warum ist eine Anpassung der Blindleistung notwendig? Viele elektrische Geräte wie Transformatoren, Motoren und Schweißgeräte basieren auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Sie alle benötigen zur Energieumwandlung und -übertragung ein magnetisches Wechselfeld. Die zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds und eines induzierten magnetischen Flusses erforderliche elektrische Leistung wird als Blindleistung bezeichnet. Alle elektrischen Geräte mit elektromagnetischen Spulen verbrauchen Blindleistung, um ein magnetisches Feld aufzubauen. Ohne Blindleistung dreht sich der Motor nicht, der Transformator kann die Spannung nicht umwandeln und viele elektrische Geräte funktionieren nicht. Blindleistung ist daher keineswegs nutzlose Energie. Unter normalen Umständen beziehen elektrische Geräte nicht nur Wirkleistung vom Generator, sondern benötigen auch Blindleistung vom Generator. Wenn die Blindleistung im Stromnetz knapp ist, verfügen die elektrischen Geräte nicht über genügend Blindleistung, um ein normales elektromagnetisches Feld aufzubauen. Dann können diese elektrischen Geräte ihren Nennbetrieb nicht aufrechterhalten, und ihre Klemmenspannung sinkt, was ihren normalen Betrieb beeinträchtigt. Daher muss die Blindleistung an die tatsächliche Last angepasst werden, und die vom Generator abgegebene Blindleistung hängt von der Höhe des Erregerstroms ab. Das genaue Prinzip wird hier nicht näher erläutert. (3) Wenn im Stromnetz ein Kurzschluss auftritt oder die Klemmenspannung des Generators aus anderen Gründen stark abfällt, kann der Generator zwangserregt werden, um die dynamische Stabilitätsgrenze des Stromnetzes und die Genauigkeit der Relaisschutzmaßnahmen zu verbessern. (4) Wenn aufgrund eines plötzlichen Lastabwurfs oder aus anderen Gründen eine Überspannung am Generator auftritt, kann der Generator zwangsentmagnetisiert werden, um den übermäßigen Anstieg der Klemmenspannung des Generators zu begrenzen. (5) Die statische Stabilität des Stromnetzes verbessern. (6) Wenn im Generator und an seinen Anschlussleitungen ein Phase-Phase-Kurzschluss auftritt oder die Klemmenspannung des Generators zu hoch ist, wird schnell eine Entmagnetisierung durchgeführt, um die Ausbreitung des Unfalls zu begrenzen. (7) Die Blindleistung der parallel geschalteten Generatoren kann sinnvoll verteilt werden.
3. Klassifizierung von Erregersystemen. Je nachdem, wie der Generator den Erregerstrom erhält (d. h. die Art der Versorgung der Erregerstromquelle), kann das Erregersystem in Fremderregung und Selbsterregung unterteilt werden: Der von anderen Stromversorgungen erhaltene Erregerstrom wird als Fremderregung bezeichnet; der vom Generator selbst erhaltene Erregerstrom wird als Selbsterregung bezeichnet. Je nach Gleichrichtungsmethode kann es in rotierende und statische Erregung unterteilt werden. Das statische Erregersystem verfügt nicht über eine spezielle Erregermaschine. Wenn es die Erregerleistung vom Generator selbst erhält, spricht man von selbsterregter statischer Erregung. Selbsterregte statische Erregung kann in selbstparallele Erregung und selbstverstärkende Erregung unterteilt werden.
Die am häufigsten verwendete Erregungsmethode ist die selbstparallele statische Erregung, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Sie erhält die Erregerleistung über den an den Generatorausgang angeschlossenen Gleichrichtertransformator und liefert nach der Gleichrichtung den Generator-Erregerstrom.
Schaltplan des selbstparallelen Erregungssystems mit statischem Gleichrichter
Das selbstparallele statische Erregersystem besteht hauptsächlich aus folgenden Teilen: Erregertransformator, Gleichrichter, Entmagnetisierungsgerät, Regelregler und Überspannungsschutzgerät. Diese fünf Teile erfüllen jeweils die folgenden Funktionen:
(1) Erregertransformator: Reduzieren Sie die Spannung am Maschinenende auf eine zum Gleichrichter passende Spannung.
(2) Gleichrichter: Er ist die Kernkomponente des gesamten Systems. Zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom wird häufig eine dreiphasige, vollgesteuerte Brückenschaltung verwendet.
(3) Entmagnetisierungsvorrichtung: Die Entmagnetisierungsvorrichtung besteht aus zwei Teilen, nämlich dem Entmagnetisierungsschalter und dem Entmagnetisierungswiderstand. Dieses Gerät ist für die schnelle Entmagnetisierung des Geräts im Falle eines Unfalls verantwortlich.
(4) Regelungsregler: Das Steuergerät des Erregersystems ändert den Erregerstrom durch Steuerung des Leitungswinkels des Thyristors des Gleichrichtergeräts, um die Blindleistung und Spannung des Generators zu regeln.
(5) Überspannungsschutz: Wenn im Rotorkreis des Generators eine Überspannung auftritt, wird der Kreis eingeschaltet, um die Überspannungsenergie zu verbrauchen, den Überspannungswert zu begrenzen und die Rotorwicklung des Generators und die daran angeschlossenen Geräte zu schützen.
Die Vorteile des selbstparallelen Erregersystems sind: einfacher Aufbau, weniger Geräte, geringe Investitionen und geringerer Wartungsaufwand. Der Nachteil besteht darin, dass bei einem Kurzschluss des Generators oder Systems der Erregerstrom verschwindet oder stark abfällt, während er in diesem Fall stark erhöht werden sollte (zwangsweise Erregung). Da moderne Großanlagen jedoch meist geschlossene Sammelschienen verwenden und Hochspannungsnetze in der Regel mit schnellem Schutz und hoher Zuverlässigkeit ausgestattet sind, steigt die Anzahl der Anlagen, die dieses Erregerverfahren verwenden. Es ist auch das in Vorschriften und Spezifikationen empfohlene Erregerverfahren. 4. Elektrisches Bremsen der Anlage: Beim Entladen und Abschalten der Anlage wird aufgrund der enormen Rotationsträgheit des Rotors ein Teil der mechanischen Energie gespeichert. Diese Energie kann erst vollständig gestoppt werden, nachdem sie in Reibungswärme von Axial- und Führungslager sowie Luft umgewandelt wurde. Da der Reibungsverlust der Luft proportional zum Quadrat der linearen Umfangsgeschwindigkeit ist, sinkt die Rotordrehzahl zunächst sehr schnell und läuft dann lange Zeit mit niedriger Drehzahl im Leerlauf. Läuft das Aggregat längere Zeit mit niedriger Drehzahl, kann die Druckbuchse durchbrennen, da sich zwischen der Spiegelplatte unter dem Druckkopf und der Lagerbuchse kein Ölfilm aufbauen kann. Daher muss beim Abschalten, wenn die Drehzahl des Aggregats auf einen bestimmten Wert abfällt, das Aggregatbremssystem aktiviert werden. Die Aggregatbremsung wird in elektrisches, mechanisches und kombiniertes Bremsen unterteilt. Beim elektrischen Bremsen wird der Stator des Drehstromgenerators am Maschinenausgang kurzgeschlossen, nachdem der Generator entkoppelt und entmagnetisiert wurde. Anschließend wird abgewartet, bis die Drehzahl des Aggregats auf etwa 50 bis 60 % der Nenndrehzahl gesunken ist. Durch eine Reihe logischer Operationen wird die Bremsleistung bereitgestellt, und der Erregerregler schaltet in den elektrischen Bremsmodus, um die Rotorwicklung des Generators mit Erregerstrom zu versorgen. Da sich der Generator dreht, induziert der Stator unter der Einwirkung des Rotormagnetfelds einen Kurzschlussstrom. Das erzeugte elektromagnetische Drehmoment ist der Trägheitsrichtung des Rotors entgegengerichtet und wirkt bremsend. Bei der Realisierung einer elektrischen Bremsung muss die Bremsstromversorgung extern bereitgestellt werden. Dies hängt eng mit der Hauptschaltungsstruktur des Erregersystems zusammen. Die folgende Abbildung zeigt verschiedene Möglichkeiten zur Bereitstellung der Erregerstromversorgung für die elektrische Bremse.
Verschiedene Möglichkeiten zur Versorgung der elektrischen Bremsenerregerspannung
Bei der ersten Methode handelt es sich bei der Erregereinrichtung um eine selbstparallele Erregerschaltung. Bei einem Kurzschluss am Maschinenende ist der Erregertransformator stromlos. Die Bremsstromversorgung erfolgt über einen eigenen Bremstransformator, der an das Kraftwerk angeschlossen ist. Wie bereits erwähnt, verwenden die meisten Wasserkraftprojekte ein selbstparalleles statisches Gleichrichter-Erregersystem. Es ist wirtschaftlicher, eine Gleichrichterbrücke für das Erregersystem und das elektrische Bremssystem zu verwenden. Daher ist diese Methode zur Versorgung der elektrischen Bremsstromversorgung üblicher. Der Ablauf der elektrischen Bremsung bei dieser Methode ist wie folgt:
(1) Der Geräteausgangs-Leistungsschalter wird geöffnet und das System entkoppelt.
(2) Die Rotorwicklung wird entmagnetisiert.
(3) Der Leistungsschalter auf der Sekundärseite des Erregertransformators wird geöffnet.
(4) Der Kurzschlussschalter der elektrischen Bremse der Einheit ist geschlossen.
(5) Der Leistungsschalter auf der Sekundärseite des elektrischen Bremstransformators ist geschlossen.
(6) Der Thyristor der Gleichrichterbrücke wird zum Leiten gebracht und die Einheit wechselt in den Zustand der elektrischen Bremse.
(7) Wenn die Drehzahl der Einheit Null beträgt, wird die elektrische Bremse gelöst (bei kombinierter Bremsung wird bei Erreichen von 5 % bis 10 % der Nenndrehzahl eine mechanische Bremse aktiviert). 5. Intelligentes Erregersystem Ein intelligentes Wasserkraftwerk ist ein Wasserkraftwerk oder eine Wasserkraftwerksgruppe mit Informationsdigitalisierung, Kommunikationsvernetzung, integrierter Standardisierung, Geschäftsinteraktion, Betriebsoptimierung und intelligenter Entscheidungsfindung. Intelligente Wasserkraftwerke sind vertikal in Prozessebene, Einheitenebene und Stationssteuerungsebene unterteilt und verwenden eine dreischichtige 2-Netzwerkstruktur aus Prozessebenen-Netzwerk (GOOSE-Netzwerk, SV-Netzwerk) und Stationssteuerungsebenen-Netzwerk (MMS-Netzwerk). Intelligente Wasserkraftwerke müssen durch intelligente Anlagen unterstützt werden. Als zentrales Steuerungssystem des Wasserturbinengeneratorsatzes spielt die technologische Entwicklung des Erregersystems eine wichtige unterstützende Rolle
In intelligenten Wasserkraftwerken muss das Erregersystem neben grundlegenden Aufgaben wie dem Starten und Stoppen des Turbinengeneratorsatzes, der Erhöhung und Verringerung der Blindleistung und der Notabschaltung auch die Datenmodellierungs- und Kommunikationsfunktionen der IEC 61850 erfüllen und die Kommunikation mit dem Stationssteuerungsnetzwerk (MMS-Netzwerk) und dem Prozessnetzwerk (GOOSE-Netzwerk und SV-Netzwerk) unterstützen. Das Erregersystem befindet sich auf der Einheitenebene der intelligenten Wasserkraftwerkssystemstruktur, während die Zusammenführungseinheit, das intelligente Terminal, die Zusatzsteuereinheit und weitere Geräte bzw. intelligente Ausrüstung auf der Prozessebene angeordnet sind. Die Systemstruktur ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Intelligentes Erregungssystem
Der Leitrechner der Stationssteuerungsebene des intelligenten Wasserkraftwerks erfüllt die Anforderungen des Kommunikationsstandards IEC61850 und sendet die Signale des Erregersystems über das MMS-Netzwerk an den Leitrechner des Überwachungssystems. Das intelligente Erregersystem muss sich mit dem GOOSE-Netzwerk und den SV-Netzwerk-Switches verbinden können, um Daten auf der Prozessebene zu erfassen. Die Prozessebene erfordert, dass die von Stromwandlern, Spannungswandlern und lokalen Komponenten ausgegebenen Daten digital vorliegen. Stromwandler und Spannungswandler sind mit der Merging Unit verbunden (elektronische Transformatoren werden über Glasfaserkabel, elektromagnetische Transformatoren über Kabel verbunden). Nach der Digitalisierung der Strom- und Spannungsdaten werden diese über Glasfaserkabel mit dem SV-Netzwerk-Switch verbunden. Die lokalen Komponenten müssen über Kabel mit dem intelligenten Terminal verbunden sein. Die Schalt- oder Analogsignale werden in digitale Signale umgewandelt und über Glasfaserkabel an den GOOSE-Netzwerk-Switch übertragen. Das Erregersystem kommuniziert derzeit grundsätzlich mit dem MMS-Netzwerk der Stationssteuerungsebene und dem GOOSE/SV-Netzwerk der Prozessebene. Neben der Erfüllung der Netzwerkinformationsinteraktion des Kommunikationsstandards IEC61850 sollte das intelligente Erregersystem auch über umfassende Online-Überwachung, intelligente Fehlerdiagnose sowie komfortablen Testbetrieb und Wartung verfügen. Die Leistung und Anwendungseffekte des voll funktionsfähigen intelligenten Erregergeräts müssen in zukünftigen technischen Anwendungen getestet werden.
Beitragszeit: 09.10.2024
