Rijeke u prirodi sve imaju određeni nagib. Voda teče koritom pod djelovanjem gravitacije. Voda na velikim nadmorskim visinama sadrži obilnu potencijalnu energiju. Uz pomoć hidrauličkih konstrukcija i elektromehaničke opreme, energija vode može se pretvoriti u električnu energiju, odnosno generiranje hidroenergije. Princip proizvodnje hidroenergije je naša elektromagnetska indukcija, odnosno kada vodič presiječe linije magnetskog toka u magnetskom polju, generirat će struju. Između ostalog, "kretanje" vodiča u magnetskom polju postiže se utjecajem protoka vode na turbinu kako bi se energija vode pretvorila u rotacijsku mehaničku energiju; a magnetsko polje gotovo uvijek nastaje pobudnom strujom koju generira pobudni sustav koji teče kroz namot rotora generatora, odnosno magnetizam se generira električnom energijom.
1. Što je sustav uzbude? Da bi se ostvarila pretvorba energije, sinkroni generator treba istosmjerno magnetsko polje, a istosmjerna struja koja generira ovo magnetsko polje naziva se struja uzbude generatora. Općenito, proces stvaranja magnetskog polja u rotoru generatora prema principu elektromagnetske indukcije naziva se uzbuda. Sustav uzbude odnosi se na opremu koja osigurava struju uzbude za sinkroni generator. To je važan dio sinkronog generatora. Općenito se sastoji od dva glavna dijela: jedinice za napajanje uzbude i regulatora uzbude. Jedinica za napajanje uzbude osigurava struju uzbude rotoru sinkronog generatora, a regulator uzbude kontrolira izlaz jedinice za napajanje uzbude prema ulaznom signalu i zadanim kriterijima regulacije.
2. Funkcija uzbudnog sustava Uzbudni sustav ima sljedeće glavne funkcije: (1) U normalnim radnim uvjetima, dovodi struju uzbude generatora i podešava struju uzbude prema zadanom zakonu, ovisno o naponu na terminalima generatora i uvjetima opterećenja kako bi se održala stabilnost napona. Zašto se stabilnost napona može održati podešavanjem struje uzbude? Postoji približan odnos između induciranog potencijala (tj. potencijala praznog hoda) Ed namota statora generatora, napona na terminalima Ug, reaktivne struje opterećenja Ir generatora i uzdužne sinkrone reaktancije Xd:
Inducirani potencijal Ed proporcionalan je magnetskom fluksu, a magnetski fluks ovisi o veličini struje pobude. Kada struja pobude ostane nepromijenjena, magnetski fluks i inducirani potencijal Ed ostaju nepromijenjeni. Iz gornje formule može se vidjeti da će se napon na terminalima generatora smanjivati s povećanjem reaktivne struje. Međutim, kako bi se zadovoljili zahtjevi korisnika za kvalitetom električne energije, napon na terminalima generatora trebao bi ostati u osnovi nepromijenjen. Očito je da se ovaj zahtjev postiže podešavanjem struje pobude generatora kako se mijenja reaktivna struja Ir (tj. mijenja opterećenje). (2) Prema uvjetima opterećenja, struja pobude se podešava prema zadanom pravilu kako bi se podesila reaktivna snaga. Zašto je potrebno podesiti reaktivnu snagu? Mnogi električni uređaji rade na principu elektromagnetske indukcije, poput transformatora, motora, aparata za zavarivanje itd. Svi se oslanjaju na uspostavljanje izmjeničnog magnetskog polja za pretvorbu i prijenos energije. Električna snaga potrebna za uspostavljanje izmjeničnog magnetskog polja i induciranog magnetskog fluksa naziva se reaktivna snaga. Sva električna oprema s elektromagnetskim zavojnicama troši reaktivnu snagu za uspostavljanje magnetskog polja. Bez reaktivne snage, motor se neće okretati, transformator neće moći transformirati napon i mnogi električni uređaji neće raditi. Stoga, reaktivna snaga nipošto nije beskorisna snaga. U normalnim okolnostima, električni uređaji ne samo da dobivaju aktivnu snagu iz generatora, već trebaju dobivati i reaktivnu snagu iz generatora. Ako je reaktivna snaga u elektroenergetskoj mreži manjak, električni uređaji neće imati dovoljno reaktivne snage za uspostavljanje normalnog elektromagnetskog polja. Tada ti električni uređaji ne mogu održavati nazivni rad, a napon na terminalima električne opreme će pasti, što će utjecati na normalan rad električne opreme. Stoga je potrebno prilagoditi reaktivnu snagu prema stvarnom opterećenju, a reaktivna snaga koju generator proizvodi povezana je s veličinom struje pobude. Specifičan princip ovdje neće biti objašnjen. (3) Kada se dogodi kratki spoj u elektroenergetskom sustavu ili drugi razlozi uzrokuju ozbiljan pad napona na terminalima generatora, generator se može prisilno pobuditi kako bi se poboljšala granica dinamičke stabilnosti elektroenergetskog sustava i točnost djelovanja relejne zaštite. (4) Kada dođe do prenapona generatora zbog naglog pada opterećenja i drugih razloga, generator se može prisilno demagnetizirati kako bi se ograničio prekomjerni porast napona na terminalima generatora. (5) Poboljšati statičku stabilnost elektroenergetskog sustava. (6) Kada se unutar generatora i na njegovim dovodnim žicama dogodi kratki spoj između faza ili je napon na terminalima generatora previsok, demagnetizacija se provodi brzo kako bi se ograničilo širenje nesreće. (7) Reaktivna snaga paralelnih generatora može se razumno raspodijeliti.
3. Klasifikacija sustava uzbude Prema načinu na koji generator dobiva struju uzbude (tj. metodi napajanja uzbudnog napajanja), sustav uzbude može se podijeliti na vanjsko uzbudu i samouzbudu: struja uzbude dobivena iz drugih izvora napajanja naziva se vanjsko uzbudu; struja uzbude dobivena iz samog generatora naziva se samouzbuda. Prema metodi ispravljanja, može se podijeliti na rotacijsku uzbudu i statičku uzbudu. Statički sustav uzbude nema poseban stroj za uzbudu. Ako dobiva snagu uzbude iz samog generatora, to se naziva samouzbudna statička uzbuda. Samouzbudna statička uzbuda može se podijeliti na samoparalelnu uzbudu i samokompaundirajuću uzbudu.
Najčešće korištena metoda uzbude je samoparalelna statička uzbuda, kao što je prikazano na donjoj slici. Uzbudna snaga se dobiva putem ispravljačkog transformatora spojenog na izlaz generatora i nakon ispravljanja dovodi struju uzbude generatora.
Dijagram ožičenja samoparalelnog pobudnog sustava statičkog ispravljača
Samoparalelni statički sustav uzbude uglavnom se sastoji od sljedećih dijelova: pobudnog transformatora, ispravljača, uređaja za demagnetizaciju, regulatora i uređaja za zaštitu od prenapona. Ovih pet dijelova redom obavljaju sljedeće funkcije:
(1) Uzbudni transformator: Smanjite napon na kraju stroja na napon koji odgovara ispravljaču.
(2) Ispravljač: To je ključna komponenta cijelog sustava. Trofazni potpuno kontrolirani mostni krug često se koristi za dovršetak zadatka pretvorbe iz izmjenične u istosmjernu struju.
(3) Uređaj za demagnetizaciju: Uređaj za demagnetizaciju sastoji se od dva dijela, i to prekidača za demagnetizaciju i otpornika za demagnetizaciju. Ovaj uređaj odgovoran je za brzu demagnetizaciju uređaja u slučaju nesreće.
(4) Regulator regulacije: Upravljački uređaj uzbudnog sustava mijenja struju uzbude kontroliranjem kuta provođenja tiristora ispravljačkog uređaja kako bi se postigao učinak regulacije reaktivne snage i napona generatora.
(5) Zaštita od prenapona: Kada strujni krug rotora generatora ima prenapon, strujni krug se uključuje kako bi potrošio energiju prenapona, ograničio vrijednost prenapona i zaštitio namot rotora generatora i njegovu priključenu opremu.
Prednosti statičkog sustava uzbude sa samoparalelnom uzbudom su: jednostavna struktura, manje opreme, mala ulaganja i manje održavanja. Nedostatak je što kada se generator ili sustav kratko spoji, struja uzbude će nestati ili znatno pasti, dok bi struju uzbude u ovom trenutku trebalo znatno povećati (tj. prisilno uzbuditi). Međutim, s obzirom na to da moderne velike jedinice uglavnom koriste zatvorene sabirnice, a visokonaponske električne mreže općenito su opremljene brzom zaštitom i visokom pouzdanošću, broj jedinica koje koriste ovu metodu uzbude se povećava, a to je ujedno i metoda uzbude koju preporučuju propisi i specifikacije. 4. Električno kočenje jedinice Kada se jedinica rastereti i isključi, dio mehaničke energije se pohranjuje zbog ogromne rotacijske inercije rotora. Ovaj dio energije može se potpuno zaustaviti tek nakon što se pretvori u toplinsku energiju trenja aksijalnog ležaja, vodećeg ležaja i zraka. Budući da je gubitak trenja zraka proporcionalan kvadratu linearne brzine opsega, brzina rotora u početku vrlo brzo pada, a zatim će dugo raditi u praznom hodu pri maloj brzini. Kada jedinica radi dulje vrijeme pri maloj brzini, potisna čahura može pregorjeti jer se ne može uspostaviti uljni film između zrcalne ploče ispod potisne glave i čahure ležaja. Zbog toga se tijekom procesa gašenja, kada brzina jedinice padne na određenu specificiranu vrijednost, mora koristiti sustav kočenja jedinice. Kočenje jedinice dijeli se na električno kočenje, mehaničko kočenje i kombinirano kočenje. Električno kočenje znači kratki spoj statora trofaznog generatora na izlazu na kraju stroja nakon što se generator odvoji i demagnetizira, te čeka da brzina jedinice padne na oko 50% do 60% nazivne brzine. Nizom logičkih operacija osigurava se snaga kočenja, a regulator pobude prelazi u način rada električnog kočenja kako bi dodao struju pobude namotu rotora generatora. Budući da se generator okreće, stator inducira struju kratkog spoja pod djelovanjem magnetskog polja rotora. Generirani elektromagnetski moment je upravo suprotan inercijalnom smjeru rotora, koji igra ulogu kočenja. U procesu realizacije električnog kočenja, napajanje kočenja mora se osigurati izvana, što je usko povezano s glavnom strukturom strujnog kruga sustava pobude. Različiti načini dobivanja napajanja pobude električne kočnice prikazani su na donjoj slici.
Različiti načini za dobivanje napajanja za pobuđivanje električne kočnice
U prvom načinu, pobudni uređaj je metoda samoparalelnog ožičenja pobude. Kada je kraj stroja kratko spojen, pobudni transformator nema napajanje. Napajanje kočenja dolazi iz namjenskog kočnog transformatora, a kočni transformator je spojen na napajanje postrojenja. Kao što je gore spomenuto, većina hidroenergetskih projekata koristi samoparalelni statički ispravljački sustav pobude, a ekonomičnije je koristiti ispravljački most za pobudni sustav i električni kočni sustav. Stoga je ova metoda dobivanja napajanja električne kočnice češća. Tijek rada električnog kočenja ove metode je sljedeći:
(1) Prekidač izlaza jedinice se otvara i sustav se odvaja.
(2) Namota rotora je demagnetizirana.
(3) Prekidač napajanja na sekundarnoj strani pobudnog transformatora je otvoren.
(4) Kratkospojni prekidač električne kočnice jedinice je zatvoren.
(5) Prekidač napajanja na sekundarnoj strani električnog kočnog transformatora je zatvoren.
(6) Tiristor ispravljačkog mosta se aktivira za provođenje, a jedinica ulazi u stanje električne kočnice.
(7) Kada je brzina jedinice nula, električna kočnica se otpušta (ako se koristi kombinirano kočenje, kada brzina dosegne 5% do 10% nazivne brzine, primjenjuje se mehaničko kočenje). 5. Inteligentni sustav uzbude Inteligentna hidroelektrana odnosi se na hidroelektranu ili grupu hidroelektrana s digitalizacijom informacija, komunikacijskim umrežavanjem, integriranom standardizacijom, poslovnom interakcijom, optimizacijom rada i inteligentnim donošenjem odluka. Inteligentne hidroelektrane vertikalno su podijeljene na procesni sloj, sloj jedinice i sloj upravljanja stanicom, koristeći troslojnu strukturu s 2 mreže mreže procesnog sloja (GOOSE mreža, SV mreža) i mreže sloja upravljanja stanicom (MMS mreža). Inteligentne hidroelektrane moraju biti podržane inteligentnom opremom. Kao središnji sustav upravljanja generatorskim agregatom hidroturbine, tehnološki razvoj sustava uzbude igra važnu potpornu ulogu u izgradnji inteligentnih hidroelektrana.
U inteligentnim hidroelektranama, osim što obavlja osnovne zadatke poput pokretanja i zaustavljanja turbogeneratora, povećanja i smanjenja reaktivne snage te isključenja u slučaju nužde, sustav pobude trebao bi također moći zadovoljiti funkcije modeliranja podataka i komunikacije prema IEC61850 te podržati komunikaciju s mrežom upravljačkog sloja stanice (MMS mreža) i mrežom procesnog sloja (GOOSE mreža i SV mreža). Uređaj sustava pobude smješten je na jediničnom sloju strukture sustava inteligentne hidroelektrane, a spojna jedinica, inteligentni terminal, pomoćna upravljačka jedinica i drugi uređaji ili inteligentna oprema smješteni su na procesnom sloju. Struktura sustava prikazana je na donjoj slici.
Inteligentni sustav pobude
Glavno računalo sloja upravljanja stanicom inteligentne hidroelektrane zadovoljava zahtjeve komunikacijskog standarda IEC61850 i šalje signal sustava pobude glavnom računalu sustava nadzora putem MMS mreže. Inteligentni sustav pobude trebao bi se moći povezati s GOOSE mrežom i SV mrežnim sklopkama kako bi prikupljao podatke na procesnom sloju. Procesni sloj zahtijeva da su podaci koje šalju CT, PT i lokalne komponente u digitalnom obliku. CT i PT spojeni su na jedinicu za spajanje (elektronički transformatori spojeni su optičkim kabelima, a elektromagnetski transformatori kabelima). Nakon što se podaci o struji i naponu digitaliziraju, spajaju se na SV mrežnu sklopku optičkim kabelima. Lokalne komponente moraju biti spojene na inteligentni terminal kabelima, a sklopka ili analogni signali pretvaraju se u digitalne signale i prenose se na GOOSE mrežnu sklopku optičkim kabelima. Trenutno, sustav pobude u osnovi ima komunikacijsku funkciju s MMS mrežom sloja upravljanja stanicom i GOOSE/SV mrežom procesnog sloja. Osim što zadovoljava zahtjeve za interakciju mrežnih informacija komunikacijskog standarda IEC61850, inteligentni sustav pobude trebao bi imati i sveobuhvatno online praćenje, inteligentnu dijagnostiku kvarova te praktično testiranje i održavanje. Performanse i učinak primjene potpuno funkcionalnog inteligentnog uređaja za pobudu potrebno je testirati u budućim stvarnim inženjerskim primjenama.
Vrijeme objave: 09.10.2024.
