En la naturaleza, todos los ríos tienen una pendiente determinada. El agua fluye por el lecho del río bajo la acción de la gravedad. El agua a gran altitud contiene abundante energía potencial. Con la ayuda de estructuras hidráulicas y equipos electromecánicos, la energía del agua puede convertirse en energía eléctrica, es decir, la generación de energía hidroeléctrica. El principio de la generación de energía hidroeléctrica es la inducción electromagnética; es decir, cuando un conductor corta las líneas de flujo magnético en un campo magnético, genera corriente. Entre ellos, el "movimiento" del conductor en el campo magnético se logra mediante el flujo de agua que impacta la turbina para convertir la energía del agua en energía mecánica rotacional; y el campo magnético casi siempre se forma por la corriente de excitación generada por el sistema de excitación que fluye a través del devanado del rotor del generador; es decir, el magnetismo se genera mediante electricidad.
1. ¿Qué es el sistema de excitación? Para lograr la conversión de energía, el generador síncrono necesita un campo magnético de CC, y la corriente CC que genera este campo magnético se denomina corriente de excitación del generador. Generalmente, el proceso de formación de un campo magnético en el rotor del generador, según el principio de inducción electromagnética, se denomina excitación. El sistema de excitación se refiere al equipo que proporciona la corriente de excitación al generador síncrono. Es una parte importante del generador síncrono. Generalmente consta de dos partes principales: la unidad de potencia de excitación y el regulador de excitación. La unidad de potencia de excitación proporciona la corriente de excitación al rotor del generador síncrono, y el regulador de excitación controla la salida de la unidad de potencia de excitación según la señal de entrada y los criterios de regulación establecidos.
2. Función del sistema de excitación. El sistema de excitación tiene las siguientes funciones principales: (1) En condiciones normales de funcionamiento, suministra la corriente de excitación del generador y la ajusta según la ley dada, en función de la tensión en los terminales del generador y las condiciones de carga, para mantener la estabilidad de la tensión. ¿Por qué se puede mantener la estabilidad de la tensión ajustando la corriente de excitación? Existe una relación aproximada entre el potencial inducido (es decir, el potencial en vacío) Ed del devanado del estator del generador, la tensión en los terminales Ug, la corriente de carga reactiva Ir del generador y la reactancia síncrona longitudinal Xd.
El potencial inducido Ed es proporcional al flujo magnético, y este depende de la magnitud de la corriente de excitación. Cuando la corriente de excitación permanece constante, el flujo magnético y el potencial inducido Ed permanecen invariables. De la fórmula anterior, se puede observar que la tensión terminal del generador disminuirá con el aumento de la corriente reactiva. Sin embargo, para cumplir con los requisitos del usuario en cuanto a calidad de la energía, la tensión terminal del generador debe permanecer prácticamente invariable. Obviamente, la forma de lograr este requisito es ajustar la corriente de excitación del generador a medida que cambia la corriente reactiva Ir (es decir, cambia la carga). (2) Según las condiciones de carga, la corriente de excitación se ajusta según una regla dada para ajustar la potencia reactiva. ¿Por qué es necesario ajustar la potencia reactiva? Muchos equipos eléctricos funcionan según el principio de inducción electromagnética, como transformadores, motores, máquinas de soldar, etc. Todos dependen del establecimiento de un campo magnético alterno para convertir y transferir energía. La potencia eléctrica necesaria para establecer un campo magnético alterno y un flujo magnético inducido se denomina potencia reactiva. Todos los equipos eléctricos con bobinas electromagnéticas consumen potencia reactiva para establecer un campo magnético. Sin potencia reactiva, el motor no gira, el transformador no puede transformar la tensión y muchos equipos eléctricos no funcionan. Por lo tanto, la potencia reactiva no es en absoluto inútil. En circunstancias normales, los equipos eléctricos no solo obtienen potencia activa del generador, sino que también necesitan obtener potencia reactiva del mismo. Si la potencia reactiva en la red eléctrica es insuficiente, los equipos eléctricos no tendrán suficiente potencia reactiva para establecer un campo electromagnético normal. En ese caso, estos equipos eléctricos no pueden mantener su funcionamiento nominal y la tensión en sus terminales disminuye, lo que afecta a su funcionamiento normal. Por lo tanto, es necesario ajustar la potencia reactiva según la carga real, y la potencia reactiva emitida por el generador está relacionada con la magnitud de la corriente de excitación. El principio específico no se detallará aquí. (3) Cuando ocurre un cortocircuito en el sistema de potencia u otras causas que hacen que el voltaje en los terminales del generador caiga seriamente, el generador puede ser excitado forzosamente para mejorar el límite de estabilidad dinámica del sistema de potencia y la precisión de la protección del relé. (4) Cuando ocurre una sobretensión en el generador debido a un corte repentino de carga u otras razones, el generador puede ser desmagnetizado forzosamente para limitar el aumento excesivo del voltaje en los terminales del generador. (5) Mejorar la estabilidad estática del sistema de potencia. (6) Cuando ocurre un cortocircuito entre fases dentro del generador y en sus cables conductores, o el voltaje en los terminales del generador es demasiado alto, la desmagnetización se realiza rápidamente para limitar la propagación del accidente. (7) La potencia reactiva de los generadores en paralelo puede distribuirse razonablemente.
3. Clasificación de los sistemas de excitación Según la forma en que el generador obtiene la corriente de excitación (es decir, el método de suministro de la fuente de alimentación de excitación), el sistema de excitación puede dividirse en excitación externa y autoexcitación: la corriente de excitación obtenida de otras fuentes de alimentación se denomina excitación externa; la corriente de excitación obtenida del propio generador se denomina autoexcitación. Según el método de rectificación, puede dividirse en excitación rotatoria y excitación estática. El sistema de excitación estática no tiene una máquina de excitación especial. Si obtiene la potencia de excitación del propio generador, se denomina excitación estática de autoexcitación. La excitación estática de autoexcitación puede dividirse en excitación autoparalela y excitación autocompuesta.
El método de excitación más común es la excitación estática autoparalela, como se muestra en la figura siguiente. Este método obtiene la potencia de excitación a través del transformador rectificador conectado a la salida del generador y suministra la corriente de excitación del generador después de la rectificación.
Diagrama de cableado del sistema de excitación del rectificador estático con excitación autoparalela
El sistema de excitación estática con excitación autoparalela consta principalmente de los siguientes componentes: transformador de excitación, rectificador, dispositivo de desmagnetización, controlador de regulación y dispositivo de protección contra sobretensiones. Estos cinco componentes cumplen respectivamente las siguientes funciones:
(1) Transformador de excitación: reduce el voltaje en el extremo de la máquina a un voltaje que coincida con el rectificador.
(2) Rectificador: Es el componente principal de todo el sistema. Se suele utilizar un circuito puente trifásico totalmente controlado para completar la conversión de CA a CC.
(3) Dispositivo de desmagnetización: El dispositivo de desmagnetización consta de dos partes: el interruptor de desmagnetización y la resistencia de desmagnetización. Este dispositivo es responsable de la rápida desmagnetización de la unidad en caso de accidente.
(4) Controlador de regulación: El dispositivo de control del sistema de excitación cambia la corriente de excitación controlando el ángulo de conducción del tiristor del dispositivo rectificador para lograr el efecto de regular la potencia reactiva y el voltaje del generador.
(5) Protección contra sobretensión: cuando el circuito del rotor del generador tiene una sobretensión, el circuito se enciende para consumir la energía de sobretensión, limitar el valor de sobretensión y proteger el devanado del rotor del generador y su equipo conectado.
Las ventajas del sistema de excitación estática con excitación autoparalela son: estructura simple, menor equipo, baja inversión y menor mantenimiento. La desventaja es que, al cortocircuitar el generador o el sistema, la corriente de excitación desaparece o disminuye considerablemente, mientras que en ese momento debe aumentarse considerablemente (es decir, se requiere excitación forzada). Sin embargo, considerando que las unidades modernas de gran tamaño utilizan principalmente barras colectoras cerradas y que las redes eléctricas de alta tensión suelen estar equipadas con protección rápida y alta fiabilidad, el número de unidades que utilizan este método de excitación está aumentando, y este es también el método de excitación recomendado por las normativas y especificaciones. 4. Frenado eléctrico de la unidad. Cuando la unidad se descarga y se apaga, parte de la energía mecánica se almacena debido a la enorme inercia rotacional del rotor. Esta parte de la energía solo puede detenerse por completo después de convertirse en energía térmica por fricción del cojinete de empuje, el cojinete guía y el aire. Dado que la pérdida por fricción del aire es proporcional al cuadrado de la velocidad lineal de la circunferencia, la velocidad del rotor cae muy rápidamente al principio, y luego permanece inactivo durante un largo periodo a baja velocidad. Cuando la unidad funciona a baja velocidad durante un tiempo prolongado, el casquillo de empuje puede quemarse debido a la imposibilidad de formar la película de aceite entre la placa del espejo, debajo del cabezal de empuje, y el casquillo del cojinete. Por esta razón, durante el apagado, cuando la velocidad de la unidad desciende a un valor especificado, es necesario activar el sistema de frenado. El frenado se divide en eléctrico, mecánico y combinado. El frenado eléctrico consiste en cortocircuitar el estator del generador trifásico a la salida de la máquina, una vez desacoplado y desmagnetizado, y esperar a que la velocidad de la unidad descienda a aproximadamente el 50 % o el 60 % de la velocidad nominal. Mediante una serie de operaciones lógicas, se proporciona la potencia de frenado y el regulador de excitación cambia al modo de frenado eléctrico para añadir corriente de excitación al devanado del rotor del generador. Dado que el generador gira, el estator induce una corriente de cortocircuito bajo la acción del campo magnético del rotor. El par electromagnético generado es justo opuesto a la dirección de inercia del rotor, que actúa como freno. Para implementar el frenado eléctrico, es necesario suministrar energía externa, lo cual está estrechamente relacionado con la estructura del circuito principal del sistema de excitación. La figura a continuación muestra diversas maneras de obtener la energía de excitación del freno eléctrico.
Diversas formas de obtener la alimentación de excitación del freno eléctrico
En el primer método, el dispositivo de excitación utiliza un método de cableado de excitación autoparalelo. Cuando el extremo de la máquina se cortocircuita, el transformador de excitación no recibe alimentación. La alimentación de frenado proviene de un transformador de freno dedicado, el cual se conecta a la alimentación de la planta. Como se mencionó anteriormente, la mayoría de los proyectos hidroeléctricos utilizan un sistema de excitación con rectificador estático de excitación autoparalelo, y resulta más económico utilizar un puente rectificador para el sistema de excitación y el sistema de freno eléctrico. Por lo tanto, este método para obtener la alimentación de excitación del freno eléctrico es el más común. El flujo de trabajo de frenado eléctrico de este método es el siguiente:
(1) Se abre el disyuntor de salida de la unidad y se desacopla el sistema.
(2) El devanado del rotor está desmagnetizado.
(3) Se abre el interruptor de alimentación en el lado secundario del transformador de excitación.
(4) El interruptor de cortocircuito del freno eléctrico de la unidad está cerrado.
(5) El interruptor de alimentación en el lado secundario del transformador de freno eléctrico está cerrado.
(6) El tiristor del puente rectificador se activa para conducir y la unidad ingresa al estado de freno eléctrico.
(7) Cuando la velocidad de la unidad es cero, se libera el freno eléctrico (si se usa frenado combinado, cuando la velocidad alcanza del 5% al 10% de la velocidad nominal, se aplica el frenado mecánico). 5. Sistema de excitación inteligente La planta hidroeléctrica inteligente se refiere a una planta hidroeléctrica o grupo de centrales hidroeléctricas con digitalización de información, redes de comunicación, estandarización integrada, interacción comercial, optimización de operaciones y toma de decisiones inteligente. Las plantas hidroeléctricas inteligentes se dividen verticalmente en capa de proceso, capa de unidad y capa de control de estación, utilizando una estructura de 3 capas y 2 redes de red de capa de proceso (red GOOSE, red SV) y red de capa de control de estación (red MMS). Las plantas hidroeléctricas inteligentes necesitan estar respaldadas por equipos inteligentes. Como sistema de control central del grupo electrógeno de turbina hidroeléctrica, el desarrollo tecnológico del sistema de excitación juega un importante papel de apoyo en la construcción de plantas hidroeléctricas inteligentes.
En las centrales hidroeléctricas inteligentes, además de realizar tareas básicas como el arranque y la parada del grupo electrógeno, el aumento y la disminución de la potencia reactiva y la parada de emergencia, el sistema de excitación también debe cumplir con las funciones de modelado de datos y comunicación IEC61850, y ser compatible con la comunicación con la red de la capa de control de la central (red MMS) y la red de la capa de proceso (red GOOSE y red SV). El dispositivo del sistema de excitación se ubica en la capa de unidad de la estructura del sistema de la central hidroeléctrica inteligente, mientras que la unidad de fusión, el terminal inteligente, la unidad de control auxiliar y otros dispositivos o equipos inteligentes se ubican en la capa de proceso. La estructura del sistema se muestra en la figura a continuación.
Sistema de excitación inteligente
El ordenador central de la capa de control de la central hidroeléctrica inteligente cumple con los requisitos de la norma de comunicación IEC61850 y envía la señal del sistema de excitación al ordenador central del sistema de monitorización a través de la red MMS. El sistema de excitación inteligente debe poder conectarse con la red GOOSE y los conmutadores de la red SV para recopilar datos en la capa de proceso. Esta capa requiere que los datos de salida de los transformadores de corriente, los transformadores de potencia y los componentes locales sean digitales. Los transformadores de corriente y los transformadores de potencia se conectan a la unidad de fusión (los transformadores electrónicos se conectan mediante cables ópticos, y los transformadores electromagnéticos, mediante cables). Tras digitalizar los datos de corriente y tensión, se conectan al conmutador de la red SV mediante cables ópticos. Los componentes locales deben conectarse al terminal inteligente mediante cables, y las señales del conmutador o analógicas se convierten en señales digitales y se transmiten al conmutador de la red GOOSE mediante cables ópticos. Actualmente, el sistema de excitación se comunica básicamente con la red MMS de la capa de control de la estación y la red GOOSE/SV de la capa de proceso. Además de cumplir con la interacción de información de red del estándar de comunicación IEC61850, el sistema de excitación inteligente también debe contar con monitoreo en línea integral, diagnóstico inteligente de fallas y un funcionamiento y mantenimiento de pruebas convenientes. El rendimiento y la eficacia de la aplicación del dispositivo de excitación inteligente, completamente funcional, deben probarse en futuras aplicaciones de ingeniería reales.
Hora de publicación: 09-oct-2024
