سیستم تحریک نیروگاه برق آبی چیست؟

رودخانه‌ها در طبیعت همگی شیب خاصی دارند. آب تحت تأثیر نیروی جاذبه در امتداد بستر رودخانه جریان می‌یابد. آب در ارتفاعات بالا حاوی انرژی پتانسیل فراوانی است. با کمک سازه‌های هیدرولیکی و تجهیزات الکترومکانیکی، انرژی آب می‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود، یعنی تولید برق آبی. اصل تولید برق آبی القای الکترومغناطیسی ما است، یعنی وقتی یک هادی خطوط شار مغناطیسی را در یک میدان مغناطیسی قطع می‌کند، جریان تولید می‌کند. در میان آنها، "حرکت" هادی در میدان مغناطیسی با برخورد جریان آب به توربین برای تبدیل انرژی آب به انرژی مکانیکی چرخشی حاصل می‌شود. و میدان مغناطیسی تقریباً همیشه توسط جریان تحریک تولید شده توسط سیستم تحریک که از سیم‌پیچ روتور ژنراتور عبور می‌کند، تشکیل می‌شود، یعنی مغناطیس توسط برق تولید می‌شود.
۱. سیستم تحریک چیست؟ برای تحقق تبدیل انرژی، ژنراتور سنکرون به یک میدان مغناطیسی DC نیاز دارد و جریان DC که این میدان مغناطیسی را تولید می‌کند، جریان تحریک ژنراتور نامیده می‌شود. به طور کلی، فرآیند تشکیل میدان مغناطیسی در روتور ژنراتور طبق اصل القای الکترومغناطیسی، تحریک نامیده می‌شود. سیستم تحریک به تجهیزاتی اشاره دارد که جریان تحریک را برای ژنراتور سنکرون فراهم می‌کند. این بخش مهمی از ژنراتور سنکرون است. به طور کلی از دو بخش اصلی تشکیل شده است: واحد قدرت تحریک و تنظیم‌کننده تحریک. واحد قدرت تحریک، جریان تحریک را برای روتور ژنراتور سنکرون فراهم می‌کند و تنظیم‌کننده تحریک، خروجی واحد قدرت تحریک را بر اساس سیگنال ورودی و معیارهای تنظیم داده شده کنترل می‌کند.

2. عملکرد سیستم تحریک سیستم تحریک دارای عملکردهای اصلی زیر است: (1) در شرایط عملیاتی عادی، جریان تحریک ژنراتور را تأمین می‌کند و جریان تحریک را طبق قانون داده شده با توجه به ولتاژ ترمینال ژنراتور و شرایط بار تنظیم می‌کند تا پایداری ولتاژ حفظ شود. چرا می‌توان پایداری ولتاژ را با تنظیم جریان تحریک حفظ کرد؟ یک رابطه تقریبی بین پتانسیل القایی (یعنی پتانسیل بی‌باری) Ed سیم‌پیچ استاتور ژنراتور، ولتاژ ترمینال Ug، جریان بار راکتیو Ir ژنراتور و راکتانس سنکرون طولی Xd وجود دارد:
پتانسیل القایی Ed متناسب با شار مغناطیسی است و شار مغناطیسی به بزرگی جریان تحریک بستگی دارد. وقتی جریان تحریک بدون تغییر باقی بماند، شار مغناطیسی و پتانسیل القایی Ed بدون تغییر باقی می‌مانند. از فرمول بالا می‌توان دریافت که ولتاژ ترمینال ژنراتور با افزایش جریان راکتیو کاهش می‌یابد. با این حال، برای برآورده کردن نیازهای کاربر برای کیفیت توان، ولتاژ ترمینال ژنراتور اساساً باید بدون تغییر باقی بماند. بدیهی است که راه دستیابی به این نیاز، تنظیم جریان تحریک ژنراتور با تغییر جریان راکتیو Ir (یعنی تغییر بار) است. (2) با توجه به شرایط بار، جریان تحریک طبق یک قانون مشخص برای تنظیم توان راکتیو تنظیم می‌شود. چرا تنظیم توان راکتیو ضروری است؟ بسیاری از تجهیزات الکتریکی بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی مانند ترانسفورماتورها، موتورها، دستگاه‌های جوشکاری و غیره کار می‌کنند. همه آنها برای تبدیل و انتقال انرژی به ایجاد یک میدان مغناطیسی متناوب متکی هستند. توان الکتریکی مورد نیاز برای ایجاد یک میدان مغناطیسی متناوب و شار مغناطیسی القایی، توان راکتیو نامیده می‌شود. همه تجهیزات الکتریکی با سیم‌پیچ‌های الکترومغناطیسی برای ایجاد یک میدان مغناطیسی، توان راکتیو مصرف می‌کنند. بدون توان راکتیو، موتور نمی‌چرخد، ترانسفورماتور قادر به تبدیل ولتاژ نخواهد بود و بسیاری از تجهیزات الکتریکی کار نخواهند کرد. بنابراین، توان راکتیو به هیچ وجه توان بی‌فایده نیست. در شرایط عادی، تجهیزات الکتریکی نه تنها توان اکتیو را از ژنراتور دریافت می‌کنند، بلکه نیاز به دریافت توان راکتیو از ژنراتور نیز دارند. اگر توان راکتیو در شبکه برق کم باشد، تجهیزات الکتریکی توان راکتیو کافی برای ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی عادی نخواهند داشت. سپس این تجهیزات الکتریکی نمی‌توانند عملکرد نامی خود را حفظ کنند و ولتاژ ترمینال تجهیزات الکتریکی کاهش می‌یابد و در نتیجه بر عملکرد عادی تجهیزات الکتریکی تأثیر می‌گذارد. بنابراین، لازم است توان راکتیو را با توجه به بار واقعی تنظیم کرد و توان راکتیو خروجی توسط ژنراتور به بزرگی جریان تحریک مربوط می‌شود. اصل خاص در اینجا توضیح داده نخواهد شد. (3) هنگامی که یک حادثه اتصال کوتاه در سیستم برق رخ می‌دهد یا دلایل دیگری باعث افت شدید ولتاژ ترمینال ژنراتور می‌شود، ژنراتور می‌تواند به زور تحریک شود تا حد پایداری دینامیکی سیستم برق و دقت عمل حفاظت رله بهبود یابد. (4) هنگامی که اضافه ولتاژ ژنراتور به دلیل قطع ناگهانی بار و دلایل دیگر رخ می‌دهد، می‌توان ژنراتور را به زور مغناطیس‌زدایی کرد تا افزایش بیش از حد ولتاژ ترمینال ژنراتور محدود شود. (5) پایداری استاتیک سیستم قدرت را بهبود بخشید. (6) هنگامی که یک اتصال کوتاه فاز به فاز در داخل ژنراتور و روی سیم‌های سربی آن رخ می‌دهد یا ولتاژ ترمینال ژنراتور خیلی بالا است، مغناطیس‌زدایی به سرعت انجام می‌شود تا گسترش حادثه محدود شود. (7) توان راکتیو ژنراتورهای موازی را می‌توان به طور منطقی توزیع کرد.

۳. طبقه‌بندی سیستم‌های تحریک بر اساس نحوه دریافت جریان تحریک توسط ژنراتور (یعنی روش تأمین منبع تغذیه تحریک)، سیستم تحریک را می‌توان به تحریک خارجی و خود تحریک تقسیم کرد: جریان تحریک حاصل از سایر منابع تغذیه، تحریک خارجی نامیده می‌شود؛ جریان تحریک حاصل از خود ژنراتور، خود تحریک نامیده می‌شود. بر اساس روش یکسوسازی، می‌توان آن را به تحریک چرخشی و تحریک استاتیک تقسیم کرد. سیستم تحریک استاتیک دستگاه تحریک خاصی ندارد. اگر قدرت تحریک را از خود ژنراتور دریافت کند، به آن تحریک استاتیک خود تحریک گفته می‌شود. تحریک استاتیک خود تحریک را می‌توان به تحریک خود موازی و تحریک خود مرکب تقسیم کرد.
رایج‌ترین روش تحریک، تحریک استاتیک با تحریک خودموازی است که در شکل زیر نشان داده شده است. این روش، توان تحریک را از طریق ترانسفورماتور یکسوساز متصل به خروجی ژنراتور به دست می‌آورد و پس از یکسوسازی، جریان تحریک ژنراتور را تأمین می‌کند.
نمودار سیم‌کشی سیستم تحریک یکسوکننده استاتیک با تحریک خودموازی

سیستم تحریک استاتیک خودموازی عمدتاً از بخش‌های زیر تشکیل شده است: ترانسفورماتور تحریک، یکسوکننده، دستگاه مغناطیس‌زدایی، کنترل‌کننده تنظیم و دستگاه حفاظت از اضافه ولتاژ. این پنج بخش به ترتیب عملکردهای زیر را انجام می‌دهند:
(1) ترانسفورماتور تحریک: ولتاژ در انتهای دستگاه را به ولتاژی مطابق با یکسوساز کاهش دهید.
(2) یکسوکننده: این جزء اصلی کل سیستم است. یک مدار پل سه فاز کاملاً کنترل شده اغلب برای تکمیل کار تبدیل از AC به DC استفاده می‌شود.
(3) دستگاه مغناطیس‌زدایی: دستگاه مغناطیس‌زدایی از دو بخش تشکیل شده است، یعنی سوئیچ مغناطیس‌زدایی و مقاومت مغناطیس‌زدایی. این دستگاه مسئول مغناطیس‌زدایی سریع واحد در صورت بروز حادثه است.
(4) کنترل کننده تنظیم: دستگاه کنترل سیستم تحریک، جریان تحریک را با کنترل زاویه هدایت تریستور دستگاه یکسو کننده تغییر می‌دهد تا به تنظیم توان راکتیو و ولتاژ ژنراتور دست یابد.
(5) حفاظت در برابر اضافه ولتاژ: هنگامی که مدار روتور ژنراتور دارای اضافه ولتاژ است، مدار روشن می‌شود تا انرژی اضافه ولتاژ را مصرف کند، مقدار اضافه ولتاژ را محدود کند و از سیم‌پیچ روتور ژنراتور و تجهیزات متصل به آن محافظت کند.
مزایای سیستم تحریک استاتیک با تحریک خودموازی عبارتند از: ساختار ساده، تجهیزات کمتر، سرمایه‌گذاری کم و نگهداری کمتر. عیب آن این است که وقتی ژنراتور یا سیستم اتصال کوتاه می‌شود، جریان تحریک ناپدید می‌شود یا به شدت افت می‌کند، در حالی که جریان تحریک باید در این زمان به میزان زیادی افزایش یابد (یعنی تحریک اجباری). با این حال، با توجه به اینکه واحدهای بزرگ مدرن اکثراً از باسبارهای بسته استفاده می‌کنند و شبکه‌های برق ولتاژ بالا عموماً مجهز به حفاظت سریع و قابلیت اطمینان بالا هستند، تعداد واحدهایی که از این روش تحریک استفاده می‌کنند در حال افزایش است و این روش تحریک نیز توسط مقررات و مشخصات توصیه می‌شود. ۴. ترمز الکتریکی واحد هنگامی که واحد تخلیه و خاموش می‌شود، بخشی از انرژی مکانیکی به دلیل اینرسی چرخشی عظیم روتور ذخیره می‌شود. این بخش از انرژی تنها پس از تبدیل به انرژی حرارتی اصطکاکی یاتاقان رانش، یاتاقان راهنما و هوا می‌تواند به طور کامل متوقف شود. از آنجایی که تلفات اصطکاکی هوا متناسب با مجذور سرعت خطی محیط است، سرعت روتور در ابتدا بسیار سریع کاهش می‌یابد و سپس برای مدت طولانی با سرعت کم در حالت سکون قرار می‌گیرد. وقتی دستگاه برای مدت طولانی با سرعت کم کار می‌کند، بوش رانش ممکن است بسوزد زیرا لایه روغن بین صفحه آینه‌ای زیر سر رانش و بوش یاتاقان نمی‌تواند برقرار شود. به همین دلیل، در طول فرآیند خاموش شدن، هنگامی که سرعت دستگاه به مقدار مشخصی کاهش می‌یابد، سیستم ترمز دستگاه باید به کار گرفته شود. ترمز دستگاه به ترمز الکتریکی، ترمز مکانیکی و ترمز ترکیبی تقسیم می‌شود. ترمز الکتریکی به این صورت است که پس از جدا شدن و مغناطیس‌زدایی ژنراتور، استاتور ژنراتور سه فاز را در خروجی انتهایی دستگاه اتصال کوتاه می‌کند و منتظر می‌ماند تا سرعت دستگاه به حدود ۵۰٪ تا ۶۰٪ سرعت نامی کاهش یابد. از طریق یک سری عملیات منطقی، توان ترمز تأمین می‌شود و تنظیم‌کننده تحریک به حالت ترمز الکتریکی تغییر می‌کند تا جریان تحریک را به سیم‌پیچ روتور ژنراتور اضافه کند. از آنجا که ژنراتور در حال چرخش است، استاتور تحت تأثیر میدان مغناطیسی روتور، جریان اتصال کوتاه القا می‌کند. گشتاور الکترومغناطیسی تولید شده درست در خلاف جهت اینرسی روتور است که نقش ترمز را ایفا می‌کند. در فرآیند تحقق ترمز الکتریکی، منبع تغذیه ترمز باید از خارج تأمین شود که ارتباط نزدیکی با ساختار مدار اصلی سیستم تحریک دارد. روش‌های مختلف برای دستیابی به منبع تغذیه تحریک ترمز الکتریکی در شکل زیر نشان داده شده است.
روش‌های مختلف برای به دست آوردن منبع تغذیه تحریک ترمز الکتریکی
در روش اول، دستگاه تحریک یک روش سیم‌کشی تحریک خودموازی است. هنگامی که انتهای ماشین اتصال کوتاه می‌شود، ترانسفورماتور تحریک هیچ منبع تغذیه‌ای ندارد. منبع تغذیه ترمز از یک ترانسفورماتور ترمز اختصاصی تأمین می‌شود و ترانسفورماتور ترمز به برق نیروگاه متصل است. همانطور که در بالا ذکر شد، اکثر پروژه‌های برق آبی از یک سیستم تحریک یکسوکننده استاتیک تحریک خودموازی استفاده می‌کنند و استفاده از یک پل یکسوکننده برای سیستم تحریک و سیستم ترمز الکتریکی اقتصادی‌تر است. بنابراین، این روش برای به دست آوردن منبع تغذیه تحریک ترمز الکتریکی رایج‌تر است. گردش کار ترمز الکتریکی این روش به شرح زیر است:
(1) کلید قطع مدار خروجی واحد باز شده و سیستم از مدار خارج می‌شود.
(2) سیم‌پیچ روتور مغناطیس‌زدایی شده است.
(3) سوئیچ قدرت در سمت ثانویه ترانسفورماتور تحریک باز است.
(4) کلید اتصال کوتاه ترمز برقی دستگاه بسته است.
(5) سوئیچ قدرت در سمت ثانویه ترانسفورماتور ترمز الکتریکی بسته است.
(6) تریستور پل یکسوساز برای هدایت فعال می‌شود و دستگاه وارد حالت ترمز الکتریکی می‌شود.
(7) وقتی سرعت واحد صفر است، ترمز الکتریکی آزاد می‌شود (در صورت استفاده از ترمز ترکیبی، وقتی سرعت به 5 تا 10 درصد سرعت نامی می‌رسد، ترمز مکانیکی اعمال می‌شود). 5. سیستم تحریک هوشمند نیروگاه آبی هوشمند به یک نیروگاه آبی یا گروه ایستگاه برق آبی با دیجیتالی شدن اطلاعات، شبکه ارتباطی، استانداردسازی یکپارچه، تعامل تجاری، بهینه‌سازی عملیات و تصمیم‌گیری هوشمند اشاره دارد. نیروگاه‌های آبی هوشمند به صورت عمودی به لایه فرآیند، لایه واحد و لایه کنترل ایستگاه تقسیم می‌شوند و از یک ساختار 2 شبکه‌ای 3 لایه‌ای شبکه لایه فرآیند (شبکه GOOSE، شبکه SV) و شبکه لایه کنترل ایستگاه (شبکه MMS) استفاده می‌کنند. نیروگاه‌های آبی هوشمند باید توسط تجهیزات هوشمند پشتیبانی شوند. به عنوان سیستم کنترل اصلی مجموعه ژنراتور توربین آبی، توسعه فناوری سیستم تحریک نقش حمایتی مهمی در ساخت نیروگاه‌های آبی هوشمند ایفا می‌کند.
در نیروگاه‌های برق آبی هوشمند، سیستم تحریک علاوه بر انجام وظایف اساسی مانند روشن و خاموش کردن مجموعه ژنراتور توربین، افزایش و کاهش توان راکتیو و خاموش کردن اضطراری، باید بتواند توابع مدل‌سازی و ارتباطی داده‌ها IEC61850 را نیز برآورده کند و از ارتباط با شبکه لایه کنترل ایستگاه (شبکه MMS) و شبکه لایه فرآیند (شبکه GOOSE و شبکه SV) پشتیبانی کند. دستگاه سیستم تحریک در لایه واحد ساختار سیستم نیروگاه برق آبی هوشمند قرار گرفته است و واحد ادغام، ترمینال هوشمند، واحد کنترل کمکی و سایر دستگاه‌ها یا تجهیزات هوشمند در لایه فرآیند قرار گرفته‌اند. ساختار سیستم در شکل زیر نشان داده شده است.
سیستم تحریک هوشمند
کامپیوتر میزبان لایه کنترل ایستگاه نیروگاه برق آبی هوشمند، الزامات استاندارد ارتباطی IEC61850 را برآورده می‌کند و سیگنال سیستم تحریک را از طریق شبکه MMS به کامپیوتر میزبان سیستم مانیتورینگ ارسال می‌کند. سیستم تحریک هوشمند باید بتواند با شبکه GOOSE و سوئیچ‌های شبکه SV ارتباط برقرار کند تا داده‌ها را در لایه فرآیند جمع‌آوری کند. لایه فرآیند مستلزم آن است که داده‌های خروجی توسط CT، PT و اجزای محلی همگی به صورت دیجیتال باشند. CT و PT به واحد ادغام متصل می‌شوند (ترانسفورماتورهای الکترونیکی توسط کابل‌های نوری و ترانسفورماتورهای الکترومغناطیسی توسط کابل‌ها متصل می‌شوند). پس از دیجیتالی شدن داده‌های جریان و ولتاژ، آنها از طریق کابل‌های نوری به سوئیچ شبکه SV متصل می‌شوند. اجزای محلی باید از طریق کابل‌ها به ترمینال هوشمند متصل شوند و سوئیچ یا سیگنال‌های آنالوگ به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل شده و از طریق کابل‌های نوری به سوئیچ شبکه GOOSE منتقل می‌شوند. در حال حاضر، سیستم تحریک اساساً عملکرد ارتباطی با شبکه MMS لایه کنترل ایستگاه و شبکه GOOSE/SV لایه فرآیند را دارد. سیستم تحریک هوشمند علاوه بر برآورده کردن تعامل اطلاعات شبکه مطابق با استاندارد ارتباطی IEC61850، باید دارای نظارت جامع آنلاین، تشخیص هوشمند خطا و عملیات تست و نگهداری راحت نیز باشد. عملکرد و تأثیر کاربردی دستگاه تحریک هوشمند کاملاً کاربردی باید در کاربردهای مهندسی واقعی آینده آزمایش شود.