En la naturaleza, todos los ríos tienen una cierta pendiente. 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 se puede convertir en energía eléctrica, es decir, en energía hidroeléctrica. El principio de la generación de energía hidroeléctrica es la inducción electromagnética: cuando un conductor corta las líneas de flujo magnético en un campo magnético, genera corriente. El movimiento del conductor en el campo magnético se produce por 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 realizar la conversión de energía, el generador síncrono necesita un campo magnético de CC, y la corriente continua 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, de acuerdo con 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 el flujo magnético 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 constantes. De la fórmula anterior, se puede ver que la tensión en los terminales del generador disminuirá con el aumento de la corriente reactiva. Sin embargo, para cumplir con los requisitos de calidad de energía del usuario, la tensión en los terminales del generador debe permanecer prácticamente constante. 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 ellos 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 llama potencia reactiva. Todos los equipos eléctricos con bobinas electromagnéticas consumen potencia reactiva para generar un campo magnético. Sin potencia reactiva, el motor no giraría, el transformador no podría transformar la tensión y muchos equipos eléctricos no funcionarían. Por lo tanto, la potencia reactiva no es en absoluto una fuente de energía 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 dispondrán de la potencia reactiva necesaria para generar un campo electromagnético normal. En consecuencia, estos equipos no podrán mantener su funcionamiento nominal y la tensión en sus terminales disminuirá, afectando así su funcionamiento normal. Por lo tanto, es necesario ajustar la potencia reactiva según la carga real, y la potencia reactiva generada por el generador está relacionada con la magnitud de la corriente de excitación. El principio específico no se detallará aquí. (3) Cuando ocurre un accidente de cortocircuito en el sistema de potencia u otras razones causan una caída grave del voltaje en los terminales del generador, el generador puede ser excitado forzosamente para mejorar el límite de estabilidad dinámica del sistema de potencia y la precisión de la acción de protección del relé. (4) Cuando ocurre una sobretensión en el generador debido a una desconexión repentina de carga y otras razones, el generador puede ser desmagnetizado forzosamente para limitar el aumento excesivo del voltaje en los terminales del generador. (5) Mejora la estabilidad estática del sistema de potencia. (6) Cuando ocurre un cortocircuito fase a fase dentro del generador y en sus cables conductores o el voltaje en los terminales del generador es demasiado alto, se lleva a cabo la desmagnetización 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 se puede dividir 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, se puede dividir en excitación rotativa 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 autoexcitada. La excitación estática autoexcitada se puede dividir 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 al generador tras la rectificación.
Diagrama de cableado del sistema de excitación rectificador estático de excitación autoparalela
El sistema de excitación estática autoparalelo consta principalmente de las siguientes partes: transformador de excitación, rectificador, dispositivo de desmagnetización, controlador de regulación y dispositivo de protección contra sobretensiones. Estas cinco partes realizan respectivamente las siguientes funciones:
(1) Transformador de excitación: Reduce el voltaje en el extremo de la máquina a un voltaje que coincida con el del rectificador.
(2) Rectificador: Es el componente central de todo el sistema. A menudo se utiliza un circuito puente trifásico totalmente controlado para completar la tarea de 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 la sobretensión, limitar el valor de la sobretensión y proteger el bobinado del rotor del generador y su equipo conectado.
Las ventajas del sistema de excitación estática de auto-paralelo son: estructura simple, menos equipo, baja inversión y menos mantenimiento. La desventaja es que cuando el generador o el sistema está en cortocircuito, la corriente de excitación desaparecerá o caerá mucho, mientras que la corriente de excitación debería aumentar mucho (es decir, excitación forzada) en este momento. Sin embargo, considerando que las grandes unidades modernas usan principalmente barras colectoras cerradas, y las redes eléctricas de alta tensión generalmente están equipadas con protección rápida y alta confiabilidad, la cantidad de unidades que usan este método de excitación está aumentando, y este es también el método de excitación recomendado por las regulaciones y especificaciones. 4. Frenado eléctrico de la unidad Cuando la unidad está descargada y apagada, una 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 que se convierte en energía térmica de fricción del cojinete de empuje, cojinete guía y 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 estará en ralentí durante un largo tiempo a baja velocidad. Cuando la unidad funciona durante mucho tiempo a baja velocidad, el cojinete de empuje puede quemarse debido a que no se puede establecer la película de aceite entre la placa del espejo bajo el cabezal de empuje y el cojinete. Por esta razón, durante el proceso de parada, cuando la velocidad de la unidad cae a un valor específico, es necesario activar el sistema de frenado de la unidad. El frenado de la unidad se divide en frenado eléctrico, frenado mecánico y frenado combinado. El frenado eléctrico consiste en cortocircuitar el estator del generador trifásico en la salida del extremo de la máquina después de que el generador se desacopla y desmagnetiza, y esperar a que la velocidad de la unidad caiga a aproximadamente entre el 50 % y 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 agregar corriente de excitación al devanado del rotor del generador. Debido a que el generador está girando, 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, lo que cumple una función de frenado. En el proceso de implementación del frenado eléctrico, la alimentación eléctrica del sistema de frenado debe provenir de una fuente externa, la cual está estrechamente relacionada con la estructura del circuito principal del sistema de excitación. En la siguiente figura se muestran diversas maneras de obtener la alimentación eléctrica para la excitación del freno.
Diversas formas de obtener la fuente de alimentación para la excitación del freno eléctrico.
En primer lugar, el dispositivo de excitación utiliza un método de cableado de excitación en paralelo. Cuando el extremo de la máquina sufre un cortocircuito, el transformador de excitación se queda sin alimentación. La alimentación de frenado proviene de un transformador de frenado específico, conectado a la red eléctrica de la planta. Como se mencionó anteriormente, la mayoría de los proyectos hidroeléctricos utilizan un sistema de excitación con rectificador estático en paralelo, y resulta más económico emplear un puente rectificador tanto para el sistema de excitación como para el sistema de frenado eléctrico. Por lo tanto, este método para obtener la alimentación de excitación del frenado eléctrico es el más común. El flujo de trabajo del frenado eléctrico en este método es el siguiente:
(1) El interruptor del circuito de salida de la unidad se abre y el sistema se desacopla.
(2) El devanado del rotor está desmagnetizado.
(3) El interruptor de potencia en el lado secundario del transformador de excitación está abierto.
(4) El interruptor de cortocircuito del freno eléctrico de la unidad está cerrado.
(5) El interruptor de potencia en el lado secundario del transformador del freno eléctrico está cerrado.
(6) El tiristor del puente rectificador se activa para conducir y la unidad entra en el estado de freno eléctrico.
(7) Cuando la velocidad de la unidad es cero, se libera el freno eléctrico (si se utiliza frenado combinado, cuando la velocidad alcanza entre el 5% y el 10% de la velocidad nominal, se aplica el frenado mecánico). 5. Sistema de excitación inteligente La central hidroeléctrica inteligente se refiere a una central hidroeléctrica o grupo de centrales hidroeléctricas con digitalización de la información, redes de comunicación, estandarización integrada, interacción comercial, optimización de la operación y toma de decisiones inteligente. Las centrales hidroeléctricas inteligentes se dividen verticalmente en capa de proceso, capa de unidad y capa de control de la estación, utilizando una estructura de 3 capas 2 redes de la red de la capa de proceso (red GOOSE, red SV) y la red de la capa de control de la estación (red MMS). Las centrales hidroeléctricas inteligentes necesitan ser apoyadas por equipos inteligentes. Como sistema de control central del grupo electrógeno de turbina hidráulica, el desarrollo tecnológico del sistema de excitación juega un papel de apoyo importante en la construcción de centrales 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 debe cumplir con las funciones de modelado de datos y comunicación de la norma IEC 61850, y admitir la comunicación con la red de la capa de control de la central (red MMS) y la red de la capa de proceso (redes GOOSE y 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 siguiente.
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 los conmutadores de la red GOOSE y la red SV para recopilar datos en la capa de proceso. La capa de proceso requiere que los datos de salida de los transformadores de corriente (TC), los transformadores de potencial (TP) y los componentes locales sean digitales. Los TC y TP están conectados a la unidad de fusión (los transformadores electrónicos se conectan mediante cables de fibra óptica y los transformadores electromagnéticos mediante cables). Una vez digitalizados los datos de corriente y tensión, se conectan al conmutador de la red SV mediante cables de fibra óptica. Los componentes locales deben conectarse al terminal inteligente mediante cables, y las señales analógicas o del conmutador se convierten en señales digitales y se transmiten al conmutador de la red GOOSE mediante cables de fibra óptica. Actualmente, el sistema de excitación cuenta básicamente con la función de comunicación con la red MMS de la capa de control de la central y la red GOOSE/SV de la capa de proceso. Además de cumplir con la interacción de información en red del estándar de comunicación IEC61850, el sistema de excitación inteligente debe contar con monitoreo en línea integral, diagnóstico inteligente de fallas y facilidad de operación y mantenimiento para pruebas. El rendimiento y la eficacia de la aplicación del dispositivo de excitación inteligente completamente funcional deberán evaluarse en futuras aplicaciones de ingeniería reales.
Fecha de publicación: 9 de octubre de 2024
