Todos os ríos na natureza teñen unha certa pendente. A auga flúe ao longo do leito do río baixo a acción da gravidade. A auga a grandes altitudes contén abundante enerxía potencial. Coa axuda de estruturas hidráulicas e equipos electromecánicos, a enerxía da auga pódese converter en enerxía eléctrica, é dicir, xeración de enerxía hidroeléctrica. O principio da xeración de enerxía hidroeléctrica é a nosa indución electromagnética, é dicir, cando un condutor corta as liñas de fluxo magnético nun campo magnético, xerará corrente. Entre eles, o "movemento" do condutor no campo magnético conséguese mediante o fluxo de auga que impacta na turbina para converter a enerxía da auga en enerxía mecánica de rotación; e o campo magnético case sempre se forma pola corrente de excitación xerada polo sistema de excitación que flúe a través do enrolamento do rotor do xerador, é dicir, o magnetismo xérase mediante electricidade.
1. Que é o sistema de excitación? Para realizar a conversión de enerxía, o xerador síncrono necesita un campo magnético de corrente continua, e a corrente continua que xera este campo magnético chámase corrente de excitación do xerador. Xeralmente, o proceso de formación dun campo magnético no rotor do xerador segundo o principio da indución electromagnética chámase excitación. O sistema de excitación refírese ao equipo que proporciona corrente de excitación para o xerador síncrono. É unha parte importante do xerador síncrono. Xeralmente consta de dúas partes principais: a unidade de potencia de excitación e o regulador de excitación. A unidade de potencia de excitación proporciona corrente de excitación ao rotor do xerador síncrono e o regulador de excitación controla a saída da unidade de potencia de excitación segundo o sinal de entrada e os criterios de regulación dados.
2. Función do sistema de excitación O sistema de excitación ten as seguintes funcións principais: (1) En condicións normais de funcionamento, subministra a corrente de excitación do xerador e axusta a corrente de excitación segundo a lei dada en función da tensión dos terminais do xerador e as condicións de carga para manter a estabilidade da tensión. Por que se pode manter a estabilidade da tensión axustando a corrente de excitación? Existe unha relación aproximada entre o potencial inducido (é dicir, o potencial sen carga) Ed do enrolamento do estator do xerador, a tensión dos terminais Ug, a corrente de carga reactiva Ir do xerador e a reactancia síncrona lonxitudinal Xd:
O potencial inducido Ed é proporcional ao fluxo magnético, e o fluxo magnético depende da magnitude da corrente de excitación. Cando a corrente de excitación permanece inalterada, o fluxo magnético e o potencial inducido Ed permanecen inalterados. Da fórmula anterior, pódese ver que a tensión terminal do xerador diminuirá co aumento da corrente reactiva. Non obstante, para cumprir cos requisitos do usuario en canto á calidade da enerxía, a tensión terminal do xerador debe permanecer basicamente inalterada. Obviamente, a forma de lograr este requisito é axustar a corrente de excitación do xerador a medida que cambia a corrente reactiva Ir (é dicir, cambia a carga). (2) De acordo coas condicións de carga, a corrente de excitación axústase segundo unha regra determinada para axustar a potencia reactiva. Por que é necesario axustar a potencia reactiva? Moitos equipos eléctricos funcionan baseándose no principio da indución electromagnética, como transformadores, motores, máquinas de soldar, etc. Todos eles dependen do establecemento dun campo magnético alterno para converter e transferir enerxía. A enerxía eléctrica necesaria para establecer un campo magnético alterno e un fluxo magnético inducido chámase potencia reactiva. Todos os equipos eléctricos con bobinas electromagnéticas consomen enerxía reactiva para establecer un campo magnético. Sen potencia reactiva, o motor non xirará, o transformador non poderá transformar a tensión e moitos equipos eléctricos non funcionarán. Polo tanto, a potencia reactiva non é en absoluto unha enerxía inútil. En circunstancias normais, os equipos eléctricos non só obteñen potencia activa do xerador, senón que tamén necesitan obter potencia reactiva do xerador. Se a potencia reactiva na rede eléctrica é escasa, os equipos eléctricos non terán suficiente potencia reactiva para establecer un campo electromagnético normal. Entón, estes equipos eléctricos non poderán manter o funcionamento nominal e a tensión dos terminais dos equipos eléctricos caerá, o que afectará o funcionamento normal dos equipos eléctricos. Polo tanto, é necesario axustar a potencia reactiva segundo a carga real, e a saída de potencia reactiva do xerador está relacionada coa magnitude da corrente de excitación. O principio específico non se explicará aquí. (3) Cando se produce un curtocircuíto no sistema de enerxía ou outras razóns fan que a tensión dos terminais do xerador caia gravemente, o xerador pode excitarse á forza para mellorar o límite de estabilidade dinámica do sistema de enerxía e a precisión da acción de protección do relé. (4) Cando se produce unha sobretensión do xerador debido a unha descontinuidade repentina da carga e outras razóns, pódese desmagnetizar o xerador á forza para limitar o aumento excesivo da tensión dos terminais do xerador. (5) Mellorar a estabilidade estática do sistema de alimentación. (6) Cando se produce un curtocircuíto entre fases dentro do xerador e nos seus cables ou a tensión dos terminais do xerador é demasiado alta, a desmagnetización realízase rapidamente para limitar a expansión do accidente. (7) A potencia reactiva dos xeradores en paralelo pódese distribuir razoablemente.
3. Clasificación dos sistemas de excitación Segundo o xeito en que o xerador obtén a corrente de excitación (é dicir, o método de subministración da fonte de alimentación de excitación), o sistema de excitación pódese dividir en excitación externa e autoexcitación: a corrente de excitación obtida doutras fontes de alimentación chámase excitación externa; a corrente de excitación obtida do propio xerador chámase autoexcitación. Segundo o método de rectificación, pódese dividir en excitación rotatoria e excitación estática. O sistema de excitación estática non ten unha máquina de excitación especial. Se obtén a potencia de excitación do propio xerador, chámase excitación estática de autoexcitación. A excitación estática de autoexcitación pódese dividir en excitación autoparalela e excitación de autocomposición.
O método de excitación máis empregado é a excitación estática por autoexcitación en paralelo, como se mostra na figura seguinte. Obtén a potencia de excitación a través do transformador rectificador conectado á saída do xerador e subministra a corrente de excitación do xerador despois da rectificación.
Diagrama de cableado do sistema de excitación do rectificador estático de excitación autoparalela
O sistema de excitación estática de autoexcitación en paralelo consta principalmente das seguintes partes: transformador de excitación, rectificador, dispositivo de desmagnetización, controlador de regulación e dispositivo de protección contra sobretensións. Estas cinco partes realizan respectivamente as seguintes funcións:
(1) Transformador de excitación: Reduce a tensión no extremo da máquina a unha tensión que coincida coa do rectificador.
(2) Rectificador: É o compoñente central de todo o sistema. Adoita empregarse un circuíto de ponte trifásico totalmente controlado para completar a tarefa de conversión de CA a CC.
(3) Dispositivo de desmagnetización: o dispositivo de desmagnetización consta de dúas partes, concretamente o interruptor de desmagnetización e a resistencia de desmagnetización. Este dispositivo é o responsable da rápida desmagnetización da unidade en caso de accidente.
(4) Controlador de regulación: o dispositivo de control do sistema de excitación modifica a corrente de excitación controlando o ángulo de condución do tiristor do dispositivo rectificador para conseguir o efecto de regular a potencia reactiva e a tensión do xerador.
(5) Protección contra sobretensións: cando o circuíto do rotor do xerador ten unha sobretensión, o circuíto acéndese para consumir a enerxía da sobretensión, limitar o valor da sobretensión e protexer o enrolamento do rotor do xerador e o seu equipo conectado.
As vantaxes do sistema de excitación estática de excitación autoparalela son: estrutura simple, menos equipamento, baixo investimento e menos mantemento. A desvantaxe é que cando o xerador ou o sistema se curtocircuitan, a corrente de excitación desaparecerá ou diminuirá considerablemente, mentres que a corrente de excitación debería aumentar considerablemente (é dicir, excitación forzada) neste momento. Non obstante, tendo en conta que as unidades grandes modernas usan principalmente barras colectoras pechadas e as redes eléctricas de alta tensión xeralmente están equipadas con protección rápida e alta fiabilidade, o número de unidades que usan este método de excitación está a aumentar, e este é tamén o método de excitación recomendado polas normativas e especificacións. 4. Freado eléctrico da unidade Cando a unidade se descarga e se apaga, unha parte da enerxía mecánica almacénase debido á enorme inercia de rotación do rotor. Esta parte da enerxía só se pode deter completamente despois de converterse en enerxía térmica por fricción do rodamento de empuxe, o rodamento guía e o aire. Dado que a perda por fricción do aire é proporcional ao cadrado da velocidade lineal da circunferencia, a velocidade do rotor diminúe moi rapidamente ao principio e despois estará en ralentí durante moito tempo a baixa velocidade. Cando a unidade funciona durante moito tempo a baixa velocidade, o casquillo de empuxe pode queimarse porque non se pode establecer a película de aceite entre a placa de espello baixo o cabezal de empuxe e o casquillo do rolamento. Por este motivo, durante o proceso de apagado, cando a velocidade da unidade baixa a un certo valor especificado, é necesario poñer en funcionamento o sistema de freada da unidade. A freada da unidade divídese en freada eléctrica, freada mecánica e freada combinada. A freada eléctrica consiste en curtocircuitar o estator do xerador trifásico na saída do extremo da máquina despois de desacoplar e desmagnetizar o xerador, e esperar a que a velocidade da unidade baixe a aproximadamente entre o 50 % e o 60 % da velocidade nominal. Mediante unha serie de operacións lóxicas, ofrécese a potencia de freada e o regulador de excitación cambia ao modo de freada eléctrica para engadir corrente de excitación ao enrolamento do rotor do xerador. Debido a que o xerador está xirando, o estator induce unha corrente de curtocircuíto baixo a acción do campo magnético do rotor. O par electromagnético xerado é xusto oposto á dirección de inercia do rotor, que desempeña un papel de freada. No proceso de realización da freada eléctrica, a subministración de enerxía da freada debe ser proporcionada externamente, o que está estreitamente relacionado coa estrutura do circuíto principal do sistema de excitación. Na figura seguinte móstranse varias formas de obter a subministración de enerxía da excitación da freada eléctrica.
Varias formas de obter a fonte de alimentación de excitación do freo eléctrico
Na primeira forma, o dispositivo de excitación é un método de cableado de excitación en autoparalelo. Cando o extremo da máquina está en curtocircuíto, o transformador de excitación non ten fonte de alimentación. A fonte de alimentación de freado provén dun transformador de freado dedicado e o transformador de freado está conectado á enerxía da planta. Como se mencionou anteriormente, a maioría dos proxectos hidroeléctricos usan un sistema de excitación rectificador estático de excitación en autoparalelo, e é máis económico usar unha ponte rectificadora para o sistema de excitación e o sistema de freado eléctrico. Polo tanto, este método para obter a fonte de alimentación de excitación do freado eléctrico é máis común. O fluxo de traballo de freado eléctrico deste método é o seguinte:
(1) Ábrese o disxuntor da toma de corrente da unidade e desacopla o sistema.
(2) O enrolamento do rotor está desmagnetizado.
(3) Ábrese o interruptor de alimentación do lado secundario do transformador de excitación.
(4) O interruptor de curtocircuíto do freo eléctrico da unidade está pechado.
(5) O interruptor de alimentación do lado secundario do transformador de freo eléctrico está pechado.
(6) O tiristor da ponte rectificadora actívase para conducir e a unidade entra no estado de freo eléctrico.
(7) Cando a velocidade da unidade é cero, o freo eléctrico libérase (se se usa freada combinada, cando a velocidade alcanza entre o 5 % e o 10 % da velocidade nominal, aplícase freada mecánica). 5. Sistema de excitación intelixente Unha central hidroeléctrica intelixente refírese a unha central hidroeléctrica ou grupo de centrais hidroeléctricas con dixitalización da información, rede de comunicación, estandarización integrada, interacción empresarial, optimización da operación e toma de decisións intelixente. As centrais hidroeléctricas intelixentes divídense verticalmente en capa de proceso, capa de unidade e capa de control de estación, utilizando unha estrutura de rede de 3 capas e 2 rede de rede de capa de proceso (rede GOOSE, rede SV) e rede de capa de control de estación (rede MMS). As centrais hidroeléctricas intelixentes deben ser compatibles con equipos intelixentes. Como sistema de control central do grupo electróxeno de turbina hidroeléctrica, o desenvolvemento tecnolóxico do sistema de excitación xoga un papel importante na construción de centrais hidroeléctricas intelixentes.
Nas centrais hidroeléctricas intelixentes, ademais de completar tarefas básicas como o arranque e a parada do grupo turbina-xerador, o aumento e a diminución da potencia reactiva e a parada de emerxencia, o sistema de excitación tamén debe ser capaz de cumprir as funcións de modelado de datos e comunicación da norma IEC61850 e soportar a comunicación coa rede da capa de control da estación (rede MMS) e a rede da capa de proceso (rede GOOSE e rede SV). O dispositivo do sistema de excitación está disposto na capa unitaria da estrutura do sistema da central hidroeléctrica intelixente, e a unidade de fusión, o terminal intelixente, a unidade de control auxiliar e outros dispositivos ou equipos intelixentes están dispostos na capa de proceso. A estrutura do sistema móstrase na figura seguinte.
Sistema de excitación intelixente
O ordenador central da capa de control da estación da central hidroeléctrica intelixente cumpre os requisitos do estándar de comunicación IEC61850 e envía o sinal do sistema de excitación ao ordenador central do sistema de monitorización a través da rede MMS. O sistema de excitación intelixente debería poder conectarse coa rede GOOSE e os conmutadores da rede SV para recoller datos na capa de proceso. A capa de proceso require que os datos de saída do CT, PT e compoñentes locais estean todos en formato dixital. O CT e o PT están conectados á unidade de fusión (os transformadores electrónicos están conectados por cables ópticos e os transformadores electromagnéticos están conectados por cables). Despois de dixitalizar os datos de corrente e tensión, conéctanse ao conmutador da rede SV a través de cables ópticos. Os compoñentes locais deben conectarse ao terminal intelixente a través de cables e o conmutador ou os sinais analóxicos convértense en sinais dixitais e transmítense ao conmutador da rede GOOSE a través de cables ópticos. Na actualidade, o sistema de excitación ten basicamente a función de comunicación coa rede MMS da capa de control da estación e a rede GOOSE/SV da capa de proceso. Ademais de cumprir coa interacción da información de rede do estándar de comunicación IEC61850, o sistema de excitación intelixente tamén debe ter unha monitorización en liña completa, un diagnóstico intelixente de fallos e un funcionamento e mantemento de probas convenientes. O rendemento e o efecto da aplicación do dispositivo de excitación intelixente totalmente funcional deben probarse en futuras aplicacións de enxeñaría reais.
Data de publicación: 09 de outubro de 2024
