जलविद्युत संयंत्र की उत्तेजन प्रणाली क्या है

प्रकृति में सभी नदियों का एक निश्चित ढलान होता है। गुरुत्वाकर्षण की क्रिया के तहत नदी के किनारे पानी बहता है। उच्च ऊंचाई पर पानी में प्रचुर मात्रा में संभावित ऊर्जा होती है। हाइड्रोलिक संरचनाओं और इलेक्ट्रोमैकेनिकल उपकरणों की मदद से पानी की ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है, यानी जल विद्युत उत्पादन। जल विद्युत उत्पादन का सिद्धांत हमारा विद्युत चुम्बकीय प्रेरण है, अर्थात जब कोई कंडक्टर चुंबकीय क्षेत्र में चुंबकीय प्रवाह रेखाओं को काटता है, तो यह करंट उत्पन्न करेगा। उनमें से, चुंबकीय क्षेत्र में कंडक्टर की "गति" पानी के प्रवाह द्वारा टरबाइन को प्रभावित करने के लिए पानी की ऊर्जा को घूर्णी यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करने के द्वारा प्राप्त की जाती है; और चुंबकीय क्षेत्र लगभग हमेशा जनरेटर रोटर वाइंडिंग के माध्यम से बहने वाले उत्तेजना प्रणाली द्वारा उत्पन्न उत्तेजना धारा द्वारा बनता है, अर्थात चुंबकत्व बिजली द्वारा उत्पन्न होता है।
1. उत्तेजना प्रणाली क्या है? ऊर्जा रूपांतरण को साकार करने के लिए, तुल्यकालिक जनरेटर को एक डीसी चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता होती है, और इस चुंबकीय क्षेत्र को उत्पन्न करने वाले डीसी करंट को जनरेटर का उत्तेजना करंट कहा जाता है। आम तौर पर, विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के सिद्धांत के अनुसार जनरेटर रोटर में चुंबकीय क्षेत्र बनाने की प्रक्रिया को उत्तेजना कहा जाता है। उत्तेजना प्रणाली उस उपकरण को संदर्भित करती है जो तुल्यकालिक जनरेटर के लिए उत्तेजना करंट प्रदान करता है। यह तुल्यकालिक जनरेटर का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। इसमें आम तौर पर दो मुख्य भाग होते हैं: उत्तेजना शक्ति इकाई और उत्तेजना नियामक। उत्तेजना शक्ति इकाई तुल्यकालिक जनरेटर रोटर को उत्तेजना करंट प्रदान करती है, और उत्तेजना नियामक इनपुट सिग्नल और दिए गए विनियमन मानदंडों के अनुसार उत्तेजना शक्ति इकाई के आउटपुट को नियंत्रित करता है।

2. उत्तेजना प्रणाली का कार्य उत्तेजना प्रणाली के निम्नलिखित मुख्य कार्य हैं: (1) सामान्य परिचालन स्थितियों के तहत, यह जनरेटर उत्तेजना धारा की आपूर्ति करता है, और वोल्टेज स्थिरता बनाए रखने के लिए जनरेटर टर्मिनल वोल्टेज और लोड स्थितियों के अनुसार दिए गए कानून के अनुसार उत्तेजना धारा को समायोजित करता है। उत्तेजना धारा को समायोजित करके वोल्टेज स्थिरता क्यों बनाए रखी जा सकती है? जनरेटर स्टेटर वाइंडिंग के प्रेरित विभव (यानी नो-लोड विभव) Ed, टर्मिनल वोल्टेज Ug, जनरेटर के रिएक्टिव लोड करंट Ir और अनुदैर्ध्य तुल्यकालिक प्रतिक्रिया Xd के बीच एक अनुमानित संबंध है:
प्रेरित विभव Ed चुंबकीय प्रवाह के समानुपाती होता है, तथा चुंबकीय प्रवाह उत्तेजन धारा के परिमाण पर निर्भर करता है। जब उत्तेजन धारा अपरिवर्तित रहती है, तो चुंबकीय प्रवाह तथा प्रेरित विभव Ed अपरिवर्तित रहते हैं। उपरोक्त सूत्र से यह देखा जा सकता है कि प्रतिक्रियाशील धारा की वृद्धि के साथ जनरेटर का टर्मिनल वोल्टेज कम हो जाएगा। हालांकि, बिजली की गुणवत्ता के लिए उपयोगकर्ता की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, जनरेटर का टर्मिनल वोल्टेज मूल रूप से अपरिवर्तित रहना चाहिए। जाहिर है, इस आवश्यकता को प्राप्त करने का तरीका प्रतिक्रियाशील धारा Ir में परिवर्तन (अर्थात भार में परिवर्तन) के अनुसार जनरेटर के उत्तेजन धारा को समायोजित करना है। (2) भार की स्थिति के अनुसार, प्रतिक्रियाशील शक्ति को समायोजित करने के लिए दिए गए नियम के अनुसार उत्तेजन धारा को समायोजित किया जाता है। प्रतिक्रियाशील शक्ति को समायोजित करना क्यों आवश्यक है? कई विद्युत उपकरण विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के सिद्धांत के आधार पर काम करते हैं, जैसे ट्रांसफार्मर, मोटर, वेल्डिंग मशीन, आदि। वे सभी ऊर्जा को परिवर्तित करने और स्थानांतरित करने के लिए एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र की स्थापना पर निर्भर करते हैं। एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरित चुंबकीय प्रवाह को स्थापित करने के लिए आवश्यक विद्युत शक्ति को प्रतिक्रियाशील शक्ति कहा जाता है। विद्युत चुम्बकीय कॉइल वाले सभी विद्युत उपकरण चुंबकीय क्षेत्र स्थापित करने के लिए प्रतिक्रियाशील शक्ति का उपभोग करते हैं। प्रतिक्रियाशील शक्ति के बिना, मोटर घूम नहीं पाएगा, ट्रांसफार्मर वोल्टेज को परिवर्तित नहीं कर पाएगा, और कई विद्युत उपकरण काम नहीं करेंगे। इसलिए, प्रतिक्रियाशील शक्ति किसी भी तरह से बेकार शक्ति नहीं है। सामान्य परिस्थितियों में, विद्युत उपकरण न केवल जनरेटर से सक्रिय शक्ति प्राप्त करते हैं, बल्कि जनरेटर से प्रतिक्रियाशील शक्ति प्राप्त करने की भी आवश्यकता होती है। यदि पावर ग्रिड में प्रतिक्रियाशील शक्ति कम आपूर्ति में है, तो विद्युत उपकरण में सामान्य विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र स्थापित करने के लिए पर्याप्त प्रतिक्रियाशील शक्ति नहीं होगी। फिर ये विद्युत उपकरण रेटेड संचालन को बनाए नहीं रख सकते हैं, और विद्युत उपकरण का टर्मिनल वोल्टेज गिर जाएगा, जिससे विद्युत उपकरण का सामान्य संचालन प्रभावित होगा। इसलिए, वास्तविक भार के अनुसार प्रतिक्रियाशील शक्ति को समायोजित करना आवश्यक है, और जनरेटर द्वारा प्रतिक्रियाशील शक्ति आउटपुट उत्तेजना धारा की परिमाण से संबंधित है। विशिष्ट सिद्धांत को यहां विस्तृत नहीं किया जाएगा। (3) जब बिजली प्रणाली में शॉर्ट सर्किट दुर्घटना होती है या अन्य कारणों से जनरेटर टर्मिनल वोल्टेज गंभीर रूप से गिर जाता है, तो बिजली प्रणाली की गतिशील स्थिरता सीमा और रिले सुरक्षा कार्रवाई की सटीकता में सुधार करने के लिए जनरेटर को जबरन उत्तेजित किया जा सकता है। (4) जब अचानक लोड शेडिंग और अन्य कारणों से जनरेटर ओवरवोल्टेज होता है, तो जनरेटर टर्मिनल वोल्टेज की अत्यधिक वृद्धि को सीमित करने के लिए जनरेटर को जबरन विचुंबकित किया जा सकता है। (5) बिजली प्रणाली की स्थैतिक स्थिरता में सुधार करें। (6) जब जनरेटर के अंदर और उसके लीड तारों पर चरण-दर-चरण शॉर्ट सर्किट होता है या जनरेटर टर्मिनल वोल्टेज बहुत अधिक होता है, तो दुर्घटना के विस्तार को सीमित करने के लिए विचुंबकीकरण जल्दी से किया जाता है। (7) समानांतर जनरेटर की प्रतिक्रियाशील शक्ति को उचित रूप से वितरित किया जा सकता है।

3. उत्तेजना प्रणालियों का वर्गीकरण जिस तरह से जनरेटर उत्तेजना धारा प्राप्त करता है (यानी, उत्तेजना बिजली की आपूर्ति की आपूर्ति विधि) के अनुसार, उत्तेजना प्रणाली को बाहरी उत्तेजना और स्व-उत्तेजना में विभाजित किया जा सकता है: अन्य बिजली की आपूर्ति से प्राप्त उत्तेजना धारा को बाहरी उत्तेजना कहा जाता है; जनरेटर से प्राप्त उत्तेजना धारा को स्व-उत्तेजना कहा जाता है। सुधार विधि के अनुसार, इसे रोटरी उत्तेजना और स्थैतिक उत्तेजना में विभाजित किया जा सकता है। स्थैतिक उत्तेजना प्रणाली में एक विशेष उत्तेजना मशीन नहीं होती है। यदि यह जनरेटर से ही उत्तेजना शक्ति प्राप्त करता है, तो इसे स्व-उत्तेजना स्थैतिक उत्तेजना कहा जाता है। स्व-उत्तेजना स्थैतिक उत्तेजना को स्व-समानांतर उत्तेजना और स्व-संयोजित उत्तेजना में विभाजित किया जा सकता है।
सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली उत्तेजना विधि स्व-समानांतर उत्तेजना स्थैतिक उत्तेजना है, जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है। यह जनरेटर आउटलेट से जुड़े रेक्टिफायर ट्रांसफार्मर के माध्यम से उत्तेजना शक्ति प्राप्त करता है, और सुधार के बाद जनरेटर उत्तेजना धारा की आपूर्ति करता है।
स्व-समानांतर उत्तेजन स्थैतिक दिष्टकारी उत्तेजन प्रणाली का वायरिंग आरेख

स्व-समानांतर उत्तेजना स्थैतिक उत्तेजना प्रणाली में मुख्य रूप से निम्नलिखित भाग होते हैं: उत्तेजना ट्रांसफार्मर, रेक्टिफायर, विचुंबकन उपकरण, विनियमन नियंत्रक और ओवरवोल्टेज सुरक्षा उपकरण। ये पाँच भाग क्रमशः निम्नलिखित कार्य पूरे करते हैं:
(1) उत्तेजन ट्रांसफार्मर: मशीन के अंत में वोल्टेज को रेक्टिफायर से मेल खाने वाले वोल्टेज तक कम करें।
(2) रेक्टिफायर: यह पूरे सिस्टम का मुख्य घटक है। एसी से डीसी में रूपांतरण कार्य को पूरा करने के लिए अक्सर तीन-चरण पूरी तरह से नियंत्रित ब्रिज सर्किट का उपयोग किया जाता है।
(3) विचुंबकन युक्ति: विचुंबकन युक्ति में दो भाग होते हैं, अर्थात् विचुंबकन स्विच और विचुंबकन प्रतिरोधक। यह उपकरण दुर्घटना की स्थिति में इकाई के तेजी से विचुंबकन के लिए जिम्मेदार होता है।
(4) विनियमन नियंत्रक: उत्तेजना प्रणाली का नियंत्रण उपकरण जनरेटर की प्रतिक्रियाशील शक्ति और वोल्टेज को विनियमित करने के प्रभाव को प्राप्त करने के लिए रेक्टिफायर डिवाइस के थाइरिस्टर के चालन कोण को नियंत्रित करके उत्तेजना धारा को बदलता है।
(5) ओवरवोल्टेज सुरक्षा: जब जनरेटर रोटर सर्किट में ओवरवोल्टेज होता है, तो सर्किट को ओवरवोल्टेज ऊर्जा का उपभोग करने, ओवरवोल्टेज मूल्य को सीमित करने और जनरेटर रोटर वाइंडिंग और इसके जुड़े उपकरणों की सुरक्षा के लिए चालू किया जाता है।
स्व-समानांतर उत्तेजना स्थैतिक उत्तेजना प्रणाली के लाभ हैं: सरल संरचना, कम उपकरण, कम निवेश और कम रखरखाव। नुकसान यह है कि जब जनरेटर या सिस्टम शॉर्ट-सर्किट होता है, तो उत्तेजना धारा गायब हो जाएगी या बहुत कम हो जाएगी, जबकि इस समय उत्तेजना धारा को बहुत बढ़ाया जाना चाहिए (यानी मजबूर उत्तेजना)। हालांकि, यह देखते हुए कि आधुनिक बड़ी इकाइयां ज्यादातर बंद बसबार का उपयोग करती हैं, और उच्च वोल्टेज बिजली ग्रिड आम तौर पर तेजी से सुरक्षा और उच्च विश्वसनीयता से लैस होते हैं, इस उत्तेजना विधि का उपयोग करने वाली इकाइयों की संख्या बढ़ रही है, और यह नियमों और विनिर्देशों द्वारा अनुशंसित उत्तेजना विधि भी है। 4. इकाई की इलेक्ट्रिक ब्रेकिंग जब इकाई को उतार दिया जाता है और बंद कर दिया जाता है, तो रोटर की विशाल घूर्णी जड़ता के कारण यांत्रिक ऊर्जा का एक हिस्सा संग्रहीत होता है चूँकि हवा का घर्षण नुकसान परिधि के रैखिक वेग के वर्ग के समानुपाती होता है, इसलिए रोटर की गति पहले बहुत तेज़ी से गिरती है, और फिर यह कम गति पर लंबे समय तक निष्क्रिय रहेगी। जब इकाई कम गति पर लंबे समय तक चलती है, तो थ्रस्ट बुश जल सकता है क्योंकि थ्रस्ट हेड और बेयरिंग बुश के नीचे मिरर प्लेट के बीच तेल की फिल्म स्थापित नहीं हो पाती है। इस कारण से, शटडाउन प्रक्रिया के दौरान, जब इकाई की गति एक निश्चित निर्दिष्ट मूल्य तक गिर जाती है, तो इकाई ब्रेकिंग सिस्टम को उपयोग में लाने की आवश्यकता होती है। यूनिट ब्रेकिंग को इलेक्ट्रिक ब्रेकिंग, मैकेनिकल ब्रेकिंग और संयुक्त ब्रेकिंग में विभाजित किया गया है। इलेक्ट्रिक ब्रेकिंग जनरेटर के डिकम्पल और डीमैग्नेटाइज़ होने के बाद मशीन के अंत आउटलेट पर तीन-चरण जनरेटर स्टेटर को शॉर्ट-सर्किट करना है, और यूनिट की गति को रेटेड गति के लगभग 50% से 60% तक गिरने का इंतज़ार करना है। तार्किक संचालन की एक श्रृंखला के माध्यम से, ब्रेकिंग पावर प्रदान की जाती है, और उत्तेजना नियामक जनरेटर रोटर वाइंडिंग में उत्तेजना धारा जोड़ने के लिए इलेक्ट्रिक ब्रेकिंग मोड पर स्विच करता है। चूँकि जनरेटर घूम रहा है, स्टेटर रोटर चुंबकीय क्षेत्र की क्रिया के तहत एक शॉर्ट-सर्किट करंट उत्पन्न करता है। उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय टॉर्क रोटर की जड़त्वीय दिशा के ठीक विपरीत होता है, जो ब्रेकिंग की भूमिका निभाता है। इलेक्ट्रिक ब्रेकिंग को साकार करने की प्रक्रिया में, ब्रेकिंग पावर सप्लाई को बाहरी रूप से प्रदान करने की आवश्यकता होती है, जो उत्तेजना प्रणाली की मुख्य सर्किट संरचना से निकटता से संबंधित है। इलेक्ट्रिक ब्रेक उत्तेजना बिजली की आपूर्ति प्राप्त करने के विभिन्न तरीके नीचे दिए गए चित्र में दिखाए गए हैं।
इलेक्ट्रिक ब्रेक उत्तेजना बिजली की आपूर्ति प्राप्त करने के विभिन्न तरीके
पहले तरीके में, उत्तेजना डिवाइस एक स्व-समानांतर उत्तेजना वायरिंग विधि है। जब मशीन का अंत शॉर्ट-सर्किट होता है, तो उत्तेजना ट्रांसफार्मर में कोई बिजली की आपूर्ति नहीं होती है। ब्रेकिंग पावर सप्लाई एक समर्पित ब्रेक ट्रांसफार्मर से आती है, और ब्रेक ट्रांसफार्मर प्लांट पावर से जुड़ा होता है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, अधिकांश जलविद्युत परियोजनाएं एक स्व-समानांतर उत्तेजना स्थैतिक रेक्टिफायर उत्तेजना प्रणाली का उपयोग करती हैं, और उत्तेजना प्रणाली और इलेक्ट्रिक ब्रेक सिस्टम के लिए एक रेक्टिफायर ब्रिज का उपयोग करना अधिक किफायती है। इसलिए, इलेक्ट्रिक ब्रेक उत्तेजना बिजली की आपूर्ति प्राप्त करने की यह विधि अधिक आम है। इस विधि का इलेक्ट्रिक ब्रेकिंग वर्कफ़्लो इस प्रकार है:
(1) यूनिट आउटलेट सर्किट ब्रेकर खोला जाता है और सिस्टम को अलग किया जाता है।
(2) रोटर वाइंडिंग को विचुंबकित किया जाता है।
(3) उत्तेजन ट्रांसफार्मर के द्वितीयक पक्ष पर पावर स्विच खोला जाता है।
(4) यूनिट इलेक्ट्रिक ब्रेक शॉर्ट-सर्किट स्विच बंद है।
(5) इलेक्ट्रिक ब्रेक ट्रांसफार्मर के द्वितीयक पक्ष पर पावर स्विच बंद है।
(6) रेक्टिफायर ब्रिज थाइरिस्टर को संचालित करने के लिए ट्रिगर किया जाता है, और इकाई इलेक्ट्रिक ब्रेक स्थिति में प्रवेश करती है।
(7) जब इकाई की गति शून्य होती है, तो इलेक्ट्रिक ब्रेक जारी किया जाता है (यदि संयुक्त ब्रेकिंग का उपयोग किया जाता है, जब गति रेटेड गति के 5% से 10% तक पहुंच जाती है, तो मैकेनिकल ब्रेकिंग लागू होती है)। 5. बुद्धिमान उत्तेजना प्रणाली बुद्धिमान जलविद्युत संयंत्र सूचना डिजिटलीकरण, संचार नेटवर्किंग, एकीकृत मानकीकरण, व्यापार संपर्क, संचालन अनुकूलन और बुद्धिमान निर्णय लेने के साथ एक जलविद्युत संयंत्र या जलविद्युत स्टेशन समूह को संदर्भित करता है। बुद्धिमान जलविद्युत संयंत्रों को प्रक्रिया परत नेटवर्क (GOOSE नेटवर्क, SV नेटवर्क) और स्टेशन नियंत्रण परत नेटवर्क (MMS नेटवर्क) की 3-परत 2-नेटवर्क संरचना का उपयोग करके प्रक्रिया परत, इकाई परत और स्टेशन नियंत्रण परत में लंबवत रूप से विभाजित किया जाता है। बुद्धिमान जलविद्युत संयंत्रों को बुद्धिमान उपकरणों द्वारा समर्थित होने की आवश्यकता है
बुद्धिमान जलविद्युत संयंत्रों में, टर्बाइन जनरेटर सेट को चालू और बंद करना, प्रतिक्रियाशील शक्ति को बढ़ाना और घटाना, और आपातकालीन शटडाउन जैसे बुनियादी कार्यों को पूरा करने के अलावा, उत्तेजना प्रणाली को IEC61850 डेटा मॉडलिंग और संचार कार्यों को पूरा करने में भी सक्षम होना चाहिए, और स्टेशन नियंत्रण परत नेटवर्क (MMS नेटवर्क) और प्रक्रिया परत नेटवर्क (GOOSE नेटवर्क और SV नेटवर्क) के साथ संचार का समर्थन करना चाहिए। उत्तेजना प्रणाली डिवाइस को बुद्धिमान जलविद्युत स्टेशन प्रणाली संरचना की इकाई परत पर व्यवस्थित किया जाता है, और विलय इकाई, बुद्धिमान टर्मिनल, सहायक नियंत्रण इकाई और अन्य डिवाइस या बुद्धिमान उपकरण प्रक्रिया परत पर व्यवस्थित होते हैं। सिस्टम संरचना नीचे दिए गए चित्र में दिखाई गई है।
बुद्धिमान उत्तेजना प्रणाली
बुद्धिमान जलविद्युत संयंत्र के स्टेशन नियंत्रण परत का होस्ट कंप्यूटर IEC61850 संचार मानक की आवश्यकताओं को पूरा करता है, और MMS नेटवर्क के माध्यम से निगरानी प्रणाली के होस्ट कंप्यूटर को उत्तेजना प्रणाली का संकेत भेजता है। बुद्धिमान उत्तेजना प्रणाली प्रक्रिया परत पर डेटा एकत्र करने के लिए GOOSE नेटवर्क और SV नेटवर्क स्विच से जुड़ने में सक्षम होनी चाहिए। प्रक्रिया परत के लिए आवश्यक है कि CT, PT और स्थानीय घटकों द्वारा आउटपुट किया गया डेटा सभी डिजिटल रूप में हो। CT और PT मर्जिंग यूनिट से जुड़े होते हैं (इलेक्ट्रॉनिक ट्रांसफार्मर ऑप्टिकल केबल से जुड़े होते हैं, और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक ट्रांसफार्मर केबल से जुड़े होते हैं)। करंट और वोल्टेज डेटा डिजिटाइज़ होने के बाद, उन्हें ऑप्टिकल केबल के माध्यम से SV नेटवर्क स्विच से जोड़ा जाता है। स्थानीय घटकों को केबल के माध्यम से बुद्धिमान टर्मिनल से जोड़ा जाना आवश्यक है, और स्विच या एनालॉग सिग्नल को डिजिटल सिग्नल में परिवर्तित किया जाता है और ऑप्टिकल केबल के माध्यम से GOOSE नेटवर्क स्विच को प्रेषित किया जाता है। वर्तमान में, उत्तेजना प्रणाली में मूल रूप से स्टेशन नियंत्रण परत MMS नेटवर्क और प्रक्रिया परत GOOSE/SV नेटवर्क के साथ संचार कार्य होता है। IEC61850 संचार मानक के नेटवर्क सूचना इंटरैक्शन को पूरा करने के अलावा, बुद्धिमान उत्तेजना प्रणाली में व्यापक ऑनलाइन निगरानी, ​​बुद्धिमान दोष निदान और सुविधाजनक परीक्षण संचालन और रखरखाव भी होना चाहिए। पूरी तरह कार्यात्मक बुद्धिमान उत्तेजना डिवाइस के प्रदर्शन और अनुप्रयोग प्रभाव को भविष्य के वास्तविक इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में परीक्षण करने की आवश्यकता है।