जलविद्युत संयंत्र की उत्तेजना प्रणाली क्या है?

प्रकृति में सभी नदियों का एक निश्चित ढलान होता है। गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव से जल नदी तल के साथ बहता है। अधिक ऊंचाई पर जल में प्रचुर मात्रा में स्थितिज ऊर्जा होती है। जलीय संरचनाओं और विद्युतयांत्रिक उपकरणों की सहायता से जल की ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है, अर्थात् जलविद्युत उत्पादन। जलविद्युत उत्पादन का सिद्धांत विद्युतचुंबकीय प्रेरण है, अर्थात् जब कोई चालक चुंबकीय क्षेत्र में चुंबकीय प्रवाह रेखाओं को काटता है, तो वह धारा उत्पन्न करता है। इसमें, चुंबकीय क्षेत्र में चालक की "गति" जल प्रवाह द्वारा टरबाइन पर पड़ने वाले प्रभाव से होती है, जिससे जल ऊर्जा घूर्णी यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है; और चुंबकीय क्षेत्र लगभग हमेशा जनरेटर रोटर वाइंडिंग से प्रवाहित होने वाली उत्तेजना प्रणाली द्वारा उत्पन्न उत्तेजना धारा से बनता है, अर्थात् चुंबकत्व विद्युत द्वारा उत्पन्न होता है।
1. उत्तेजना प्रणाली क्या है? ऊर्जा रूपांतरण के लिए, सिंक्रोनस जनरेटर को एक डीसी चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता होती है, और इस चुंबकीय क्षेत्र को उत्पन्न करने वाली डीसी धारा को जनरेटर की उत्तेजना धारा कहा जाता है। सामान्यतः, विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के सिद्धांत के अनुसार जनरेटर रोटर में चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने की प्रक्रिया को उत्तेजना कहा जाता है। उत्तेजना प्रणाली से तात्पर्य सिंक्रोनस जनरेटर को उत्तेजना धारा प्रदान करने वाले उपकरण से है। यह सिंक्रोनस जनरेटर का एक महत्वपूर्ण भाग है। इसमें सामान्यतः दो मुख्य भाग होते हैं: उत्तेजना शक्ति इकाई और उत्तेजना नियामक। उत्तेजना शक्ति इकाई सिंक्रोनस जनरेटर रोटर को उत्तेजना धारा 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 मुख्य कार्य निम्नलिखित हैं: (1) सामान्य परिचालन स्थितियों में, यह जनरेटर उत्तेजना धारा की आपूर्ति करती है, और वोल्टेज स्थिरता बनाए रखने के लिए जनरेटर टर्मिनल वोल्टेज और लोड स्थितियों के अनुसार दिए गए नियम के अनुसार उत्तेजना धारा को समायोजित करती है। उत्तेजना धारा को समायोजित करके वोल्टेज स्थिरता क्यों बनाए रखी जा सकती है? जनरेटर स्टेटर वाइंडिंग के प्रेरित विभव (अर्थात् नो-लोड विभव) Ed, टर्मिनल वोल्टेज Ug, जनरेटर की प्रतिक्रियाशील लोड धारा Ir, और अनुदैर्ध्य तुल्यकालिक प्रतिघात Xd के बीच एक अनुमानित संबंध है:
प्रेरित विभव Ed चुंबकीय फ्लक्स के समानुपाती होता है, और चुंबकीय फ्लक्स उत्तेजना धारा के परिमाण पर निर्भर करता है। जब उत्तेजना धारा अपरिवर्तित रहती है, तो चुंबकीय फ्लक्स और प्रेरित विभव Ed भी अपरिवर्तित रहते हैं। उपरोक्त सूत्र से यह देखा जा सकता है कि प्रतिक्रियाशील धारा में वृद्धि के साथ जनरेटर का टर्मिनल वोल्टेज घट 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। स्पष्ट रूप से, इस आवश्यकता को पूरा करने का तरीका यह है कि प्रतिक्रियाशील धारा Ir में परिवर्तन (अर्थात लोड में परिवर्तन) के अनुसार जनरेटर की उत्तेजना धारा को समायोजित किया जाए। (2) लोड की स्थितियों के अनुसार, प्रतिक्रियाशील शक्ति को समायोजित करने के लिए उत्तेजना धारा को एक दिए गए नियम के अनुसार समायोजित किया जाता है। प्रतिक्रियाशील शक्ति को समायोजित करना क्यों आवश्यक है? कई विद्युत उपकरण विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के सिद्धांत पर काम करते हैं, जैसे ट्रांसफार्मर, मोटर, वेल्डिंग मशीन आदि। ये सभी ऊर्जा को परिवर्तित और स्थानांतरित करने के लिए प्रत्यावर्ती चुंबकीय क्षेत्र की स्थापना पर निर्भर करते हैं। प्रत्यावर्ती चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरित चुंबकीय फ्लक्स स्थापित करने के लिए आवश्यक विद्युत शक्ति को प्रतिक्रियाशील शक्ति कहा जाता है। विद्युतचुंबकीय कुंडलियों वाले सभी विद्युत उपकरण चुंबकीय क्षेत्र स्थापित करने के लिए प्रतिक्रियाशील शक्ति का उपभोग करते हैं। प्रतिक्रियाशील शक्ति के बिना, मोटर नहीं घूमेगी, ट्रांसफार्मर वोल्टेज को रूपांतरित 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 उन्हें जनरेटर से प्रतिक्रियाशील शक्ति भी प्राप्त करने की आवश्यकता होती है। यदि विद्युत ग्रिड में प्रतिक्रियाशील शक्ति की कमी है, तो विद्युत उपकरणों के पास सामान्य विद्युतचुंबकीय क्षेत्र स्थापित करने के लिए पर्याप्त प्रतिक्रियाशील शक्ति नहीं होगी। तब ये विद्युत उपकरण निर्धारित परिचालन बनाए नहीं रख पाएंगे, और विद्युत उपकरणों का टर्मिनल वोल्टेज गिर जाएगा, जिससे विद्युत उपकरणों के सामान्य संचालन पर असर पड़ेगा। इसलिए, वास्तविक भार के अनुसार प्रतिक्रियाशील शक्ति को समायोजित करना आवश्यक है, और जनरेटर द्वारा उत्पादित प्रतिक्रियाशील शक्ति उत्तेजना धारा के परिमाण से संबंधित है। विशिष्ट सिद्धांत का यहाँ विस्तार से वर्णन नहीं किया जाएगा। (3) जब विद्युत प्रणाली में शॉर्ट सर्किट दुर्घटना होती है या अन्य कारणों से जनरेटर टर्मिनल वोल्टेज में गंभीर गिरावट आती है, तो विद्युत प्रणाली की गतिशील स्थिरता सीमा और रिले सुरक्षा क्रिया की सटीकता में सुधार के लिए जनरेटर को जबरन उत्तेजित किया जा सकता है। (4) अचानक लोड कटौती और अन्य कारणों से जनरेटर में ओवरवोल्टेज होने पर, जनरेटर टर्मिनल वोल्टेज में अत्यधिक वृद्धि को सीमित करने के लिए जनरेटर को जबरन विचुम्बकित किया जा सकता है। (5) विद्युत प्रणाली की स्थैतिक स्थिरता में सुधार। (6) जनरेटर के भीतर और उसके लीड तारों पर फेज-टू-फेज शॉर्ट सर्किट होने पर या जनरेटर टर्मिनल वोल्टेज बहुत अधिक होने पर, दुर्घटना के विस्तार को सीमित करने के लिए विचुम्बकीकरण शीघ्रता से किया जाता है। (7) समानांतर जनरेटरों की प्रतिक्रियाशील शक्ति का उचित वितरण किया जा सकता है।

3. उत्तेजना प्रणालियों का वर्गीकरण: जनरेटर द्वारा उत्तेजना धारा प्राप्त करने के तरीके (अर्थात् उत्तेजना विद्युत आपूर्ति की विधि) के आधार पर उत्तेजना प्रणाली को बाह्य उत्तेजना और स्व-उत्तेजना में विभाजित किया जा सकता है: अन्य विद्युत स्रोतों से प्राप्त उत्तेजना धारा को बाह्य उत्तेजना कहा जाता है; जनरेटर से प्राप्त उत्तेजना धारा को स्व-उत्तेजना कहा जाता है। विद्युत उत्प्रेरण विधि के आधार पर, इसे घूर्णी उत्तेजना और स्थैतिक उत्तेजना में विभाजित किया जा सकता है। स्थैतिक उत्तेजना प्रणाली में किसी विशेष उत्तेजना यंत्र की आवश्यकता नहीं होती है। यदि यह जनरेटर से उत्तेजना शक्ति प्राप्त करती है, तो इसे स्व-उत्तेजना स्थैतिक उत्तेजना कहा जाता है। स्व-उत्तेजना स्थैतिक उत्तेजना को स्व-समानांतर उत्तेजना और स्व-मिश्रण उत्तेजना में विभाजित किया जा सकता है।
सबसे अधिक प्रयोग 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 करती है, और रेक्टिफिकेशन के बाद जनरेटर उत्तेजना धारा की आपूर्ति करती है।
स्व-समानांतर उत्तेजना स्थैतिक रेक्टिफायर उत्तेजना प्रणाली का वायरिंग आरेख

स्व-समानांतर उत्तेजना स्थैतिक उत्तेजना प्रणाली मुख्य रूप से निम्नलिखित भागों से मिलकर बनी होती है: उत्तेजना ट्रांसफार्मर, रेक्टिफायर, विचुंबकन उपकरण, विनियमन नियंत्रक और अतिवोल्टेज सुरक्षा उपकरण। ये पाँचों भाग क्रमशः निम्नलिखित कार्यों को पूरा करते हैं:
(1) उत्तेजना ट्रांसफार्मर: मशीन छोर पर वोल्टेज को रेक्टिफायर के अनुरूप वोल्टेज तक कम करें।
(2) रेक्टिफायर: यह संपूर्ण प्रणाली का मुख्य घटक है। एसी से डीसी में रूपांतरण कार्य को पूरा करने के लिए अक्सर तीन-चरण पूर्णतः नियंत्रित ब्रिज सर्किट का उपयोग किया जाता है।
(3) विचुम्बकन उपकरण: विचुम्बकन उपकरण में दो भाग होते हैं, अर्थात् विचुम्बकन स्विच और विचुम्बकन प्रतिरोधक। यह उपकरण दुर्घटना की स्थिति में इकाई के त्वरित विचुम्बकन के लिए जिम्मेदार 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 थायरिस्टर के चालन कोण को नियंत्रित करके उत्तेजना धारा को बदलता है।
(5) ओवरवोल्टेज सुरक्षा: जब जनरेटर रोटर सर्किट में ओवरवोल्टेज होता है, तो ओवरवोल्टेज ऊर्जा का उपभोग करने, ओवरवोल्टेज मान को सीमित करने और जनरेटर रोटर वाइंडिंग और इसके कनेक्टेड उपकरण की सुरक्षा के लिए सर्किट चालू किया जाता है।
स्व-समानांतर उत्तेजना स्थैतिक उत्तेजना प्रणाली के लाभ हैं: सरल संरचना, कम उपकरण, कम निवेश और कम रखरखाव। इसका नुकसान यह है कि जब जनरेटर या प्रणाली में शॉर्ट सर्किट होता है, तो उत्तेजना धारा या तो गायब हो जाती है या बहुत कम हो जाती है, जबकि इस समय उत्तेजना धारा को बहुत अधिक बढ़ाना चाहिए (यानी जबरन उत्तेजना)। हालांकि, यह देखते हुए कि आधुनिक बड़ी इकाइयां ज्यादातर बंद बसबार का उपयोग करती हैं, और उच्च-वोल्टेज पावर ग्रिड आमतौर पर त्वरित 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 विशिष्टताओं द्वारा अनुशंसित उत्तेजना विधि भी है। 4. इकाई का विद्युत ब्रेकिंग: जब इकाई अनलोड होती है और बंद होती है, तो रोटर की विशाल घूर्णी जड़ता के कारण यांत्रिक ऊर्जा का एक हिस्सा संग्रहित हो जाता है। ऊर्जा का यह हिस्सा थ्रस्ट बेयरिंग, गाइड बेयरिंग और हवा की घर्षण ऊष्मा ऊर्जा में परिवर्तित होने के बाद ही पूरी तरह से रुक सकता है। चूंकि हवा की घर्षण हानि परिधि के रैखिक वेग के वर्ग के समानुपाती होती है, इसलिए रोटर की गति पहले बहुत तेजी से गिरती है, और फिर यह लंबे समय तक कम गति पर निष्क्रिय रहती है। जब यूनिट कम गति पर लंबे समय तक चलती है, तो थ्रस्ट हेड के नीचे मिरर प्लेट और बेयरिंग बुश के बीच तेल की परत न बन पाने के कारण थ्रस्ट बुश जल सकती है। इस कारण, शटडाउन प्रक्रिया के दौरान, जब यूनिट की गति एक निश्चित मान तक गिर जाती है, तो यूनिट ब्रेकिंग सिस्टम को सक्रिय करना आवश्यक हो जाता है। यूनिट ब्रेकिंग को इलेक्ट्रिक ब्रेकिंग, मैकेनिकल ब्रेकिंग और संयुक्त ब्रेकिंग में विभाजित किया गया है। इलेक्ट्रिक ब्रेकिंग में, जनरेटर को अलग करने और विचुंबकीय करने के बाद, मशीन के अंतिम आउटलेट पर तीन-फेज जनरेटर स्टेटर को शॉर्ट-सर्किट किया जाता है, और यूनिट की गति को रेटेड गति के लगभग 50% से 60% तक गिरने का इंतजार किया जाता है। तार्किक प्रक्रियाओं 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 में स्विच हो जाता है। जनरेटर के घूमने के कारण, रोटर चुंबकीय क्षेत्र की क्रिया के तहत स्टेटर में शॉर्ट-सर्किट धारा उत्पन्न होती है। उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय टॉर्क रोटर की जड़त्वीय दिशा के ठीक विपरीत होता है, जो ब्रेकिंग का कार्य करता है। विद्युत ब्रेकिंग को साकार करने की प्रक्रिया में, ब्रेकिंग पावर सप्लाई बाहरी रूप से प्रदान की जानी आवश्यक है, जो उत्तेजना प्रणाली की मुख्य परिपथ संरचना से निकटता से संबंधित है। विद्युत ब्रेक उत्तेजना पावर सप्लाई प्राप्त करने के विभिन्न तरीके नीचे दिए गए चित्र में दिखाए गए हैं।
इलेक्ट्रिक ब्रेक उत्तेजना बिजली आपूर्ति प्राप्त करने के विभिन्न तरीके
पहले तरीके में, उत्तेजना उपकरण एक स्व-समानांतर उत्तेजना वायरिंग विधि है। जब मशीन का सिरा शॉर्ट-सर्किट हो जाता है, तो उत्तेजना ट्रांसफार्मर को बिजली की आपूर्ति नहीं होती है। ब्रेकिंग बिजली की आपूर्ति एक समर्पित ब्रेक ट्रांसफार्मर से आती है, और ब्रेक ट्रांसफार्मर संयंत्र की बिजली से जुड़ा होता है। जैसा कि ऊपर बताया गया है, अधिकांश जलविद्युत परियोजनाएं स्व-समानांतर उत्तेजना स्थैतिक रेक्टिफायर उत्तेजना प्रणाली का उपयोग करती हैं, और उत्तेजना प्रणाली और विद्युत ब्रेक प्रणाली के लिए रेक्टिफायर ब्रिज का उपयोग करना अधिक किफायती है। इसलिए, विद्युत ब्रेक उत्तेजना बिजली आपूर्ति प्राप्त करने की यह विधि अधिक प्रचलित है। इस विधि की विद्युत ब्रेकिंग कार्यप्रणाली इस प्रकार है:
(1) यूनिट आउटलेट सर्किट ब्रेकर खोला जाता है और सिस्टम को अलग किया जाता है।
(2) रोटर वाइंडिंग विचुम्बकित है।
(3) उत्तेजना ट्रांसफार्मर के द्वितीयक पक्ष पर पावर स्विच खोला जाता है।
(4) यूनिट इलेक्ट्रिक ब्रेक शॉर्ट-सर्किट स्विच बंद है।
(5) इलेक्ट्रिक ब्रेक ट्रांसफार्मर के सेकेंडरी साइड पर पावर स्विच बंद है।
(6) रेक्टिफायर ब्रिज थायरिस्टर को संचालित करने के लिए ट्रिगर किया जाता है, और इकाई इलेक्ट्रिक ब्रेक अवस्था में प्रवेश करती है।
(7) जब इकाई की गति शून्य होती है, तो विद्युत ब्रेक मुक्त हो जाता है (यदि संयुक्त ब्रेकिंग का उपयोग किया जाता है, तो जब गति रेटेड गति के 5% से 10% तक पहुँच जाती है, तो यांत्रिक ब्रेकिंग लागू हो जाती है)। 5. बुद्धिमान उत्तेजना प्रणाली बुद्धिमान जलविद्युत संयंत्र से तात्पर्य सूचना डिजिटलीकरण, संचार नेटवर्किंग, एकीकृत मानकीकरण, व्यावसायिक अंतःक्रिया, संचालन अनुकूलन और बुद्धिमान निर्णय लेने की क्षमता वाले जलविद्युत संयंत्र या जलविद्युत स्टेशन समूह से है। बुद्धिमान जलविद्युत संयंत्रों को प्रक्रिया परत, इकाई परत और स्टेशन नियंत्रण परत में लंबवत रूप से विभाजित किया जाता है, जिसमें प्रक्रिया परत नेटवर्क (GOOSE नेटवर्क, SV नेटवर्क) और स्टेशन नियंत्रण परत नेटवर्क (MMS नेटवर्क) की 3-परत 2-नेटवर्क संरचना का उपयोग किया जाता है। बुद्धिमान जलविद्युत संयंत्रों को बुद्धिमान उपकरणों द्वारा समर्थित होना आवश्यक है। जल-टर्बाइन जनरेटर सेट की मुख्य नियंत्रण प्रणाली के रूप में, उत्तेजना प्रणाली का तकनीकी विकास बुद्धिमान जलविद्युत संयंत्रों के निर्माण में एक महत्वपूर्ण सहायक भूमिका निभाता है।
बुद्धिमान जलविद्युत संयंत्रों में, टरबाइन जनरेटर सेट को चालू और बंद करने, प्रतिक्रियाशील शक्ति को बढ़ाने और घटाने, और आपातकालीन शटडाउन जैसे बुनियादी कार्यों को पूरा करने के अलावा, उत्तेजना प्रणाली को IEC61850 डेटा मॉडलिंग और संचार कार्यों को भी पूरा करने में 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 उपकरण बुद्धिमान जलविद्युत स्टेशन प्रणाली संरचना की इकाई परत पर व्यवस्थित है, और विलय इकाई, बुद्धिमान टर्मिनल, सहायक नियंत्रण इकाई और अन्य उपकरण या बुद्धिमान उपकरण प्रक्रिया परत पर व्यवस्थित हैं। प्रणाली 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 उत्तेजना प्रणाली के सिग्नल को MMS नेटवर्क के माध्यम से निगरानी प्रणाली के होस्ट कंप्यूटर तक भेजता है। बुद्धिमान उत्तेजना प्रणाली को प्रक्रिया परत पर डेटा एकत्र करने के लिए GOOSE नेटवर्क और SV नेटवर्क स्विच से जुड़ने में सक्षम होना चाहिए। प्रक्रिया परत के लिए आवश्यक है कि CT, PT और स्थानीय घटकों द्वारा आउटपुट किया गया डेटा डिजिटल रूप में हो। CT और PT को मर्जिंग यूनिट से जोड़ा जाता है (इलेक्ट्रॉनिक ट्रांसफार्मर ऑप्टिकल केबल द्वारा और विद्युत चुम्बकीय ट्रांसफार्मर केबल द्वारा जुड़े होते हैं)। करंट और वोल्टेज डेटा को डिजिटाइज़ करने 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 करके ऑप्टिकल केबल के माध्यम से GOOSE नेटवर्क स्विच पर 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 कार्यक्षमता है। आईईसी61850 संचार मानक के नेटवर्क सूचना अंतःक्रिया को पूरा करने के अलावा, बुद्धिमान उत्तेजना प्रणाली में व्यापक ऑनलाइन निगरानी, ​​बुद्धिमान दोष निदान और सुविधाजनक परीक्षण संचालन एवं रखरखाव की सुविधा भी होनी चाहिए। पूर्णतः कार्यशील बुद्धिमान उत्तेजना उपकरण के प्रदर्शन और अनुप्रयोग प्रभाव का परीक्षण भविष्य में वास्तविक इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में किया जाना आवश्यक है।