Sungai-sungai di alam semuanya memiliki kemiringan tertentu. Air mengalir di sepanjang dasar sungai di bawah aksi gravitasi. Air di dataran tinggi mengandung energi potensial yang melimpah. Dengan bantuan struktur hidrolik dan peralatan elektromekanis, energi air dapat diubah menjadi energi listrik, yaitu pembangkit listrik tenaga air. Prinsip pembangkit listrik tenaga air adalah induksi elektromagnetik kita, yaitu, ketika sebuah konduktor memotong garis fluks magnetik dalam medan magnet, itu akan menghasilkan arus. Di antara mereka, "pergerakan" konduktor dalam medan magnet dicapai oleh aliran air yang berdampak pada turbin untuk mengubah energi air menjadi energi mekanik rotasi; dan medan magnet hampir selalu dibentuk oleh arus eksitasi yang dihasilkan oleh sistem eksitasi yang mengalir melalui belitan rotor generator, yaitu, magnet dihasilkan oleh listrik.
1. Apa itu sistem eksitasi? Untuk mewujudkan konversi energi, generator sinkron membutuhkan medan magnet DC, dan arus DC yang menghasilkan medan magnet ini disebut arus eksitasi generator. Secara umum, proses pembentukan medan magnet pada rotor generator menurut prinsip induksi elektromagnetik disebut eksitasi. Sistem eksitasi mengacu pada peralatan yang menyediakan arus eksitasi untuk generator sinkron. Ini adalah bagian penting dari generator sinkron. Secara umum terdiri dari dua bagian utama: unit daya eksitasi dan regulator eksitasi. Unit daya eksitasi menyediakan arus eksitasi ke rotor generator sinkron, dan regulator eksitasi mengontrol output unit daya eksitasi sesuai dengan sinyal input dan kriteria regulasi yang diberikan.
2. Fungsi sistem eksitasi Sistem eksitasi memiliki fungsi utama sebagai berikut: (1) Dalam kondisi operasi normal, sistem ini memasok arus eksitasi generator, dan mengatur arus eksitasi sesuai dengan hukum yang diberikan sesuai dengan tegangan terminal generator dan kondisi beban untuk menjaga kestabilan tegangan. Mengapa kestabilan tegangan dapat dipertahankan dengan mengatur arus eksitasi? Ada hubungan perkiraan antara potensial induksi (yaitu potensial tanpa beban) Ed dari belitan stator generator, tegangan terminal Ug, arus beban reaktif Ir dari generator, dan reaktansi sinkron longitudinal Xd:
Potensial induksi Ed sebanding dengan fluks magnet, dan fluks magnet bergantung pada besarnya arus eksitasi. Ketika arus eksitasi tetap tidak berubah, fluks magnet dan potensi induksi Ed tetap tidak berubah. Dari rumus di atas, dapat dilihat bahwa tegangan terminal generator akan menurun dengan peningkatan arus reaktif. Namun, untuk memenuhi persyaratan pengguna akan kualitas daya, tegangan terminal generator pada dasarnya harus tetap tidak berubah. Jelas, cara untuk mencapai persyaratan ini adalah dengan menyesuaikan arus eksitasi generator saat arus reaktif Ir berubah (yaitu, beban berubah). (2) Menurut kondisi beban, arus eksitasi disesuaikan menurut aturan yang diberikan untuk menyesuaikan daya reaktif. Mengapa perlu menyesuaikan daya reaktif? Banyak peralatan listrik bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik, seperti transformator, motor, mesin las, dll. Semuanya bergantung pada pembentukan medan magnet bolak-balik untuk mengubah dan mentransfer energi. Daya listrik yang dibutuhkan untuk membentuk medan magnet bolak-balik dan fluks magnet induksi disebut daya reaktif. Semua peralatan listrik dengan kumparan elektromagnetik mengonsumsi daya reaktif untuk membentuk medan magnet. Tanpa daya reaktif, motor tidak akan berputar, transformator tidak akan dapat mengubah tegangan, dan banyak peralatan listrik tidak akan berfungsi. Oleh karena itu, daya reaktif sama sekali bukan daya yang tidak berguna. Dalam keadaan normal, peralatan listrik tidak hanya memperoleh daya aktif dari generator, tetapi juga perlu memperoleh daya reaktif dari generator. Jika daya reaktif dalam jaringan listrik kekurangan pasokan, peralatan listrik tidak akan memiliki daya reaktif yang cukup untuk membentuk medan elektromagnetik yang normal. Kemudian peralatan listrik ini tidak dapat mempertahankan operasi terukur, dan tegangan terminal peralatan listrik akan turun, sehingga memengaruhi operasi normal peralatan listrik. Oleh karena itu, perlu untuk menyesuaikan daya reaktif sesuai dengan beban aktual, dan daya reaktif yang dikeluarkan oleh generator terkait dengan besarnya arus eksitasi. Prinsip spesifik tidak akan diuraikan di sini. (3) Ketika kecelakaan hubung singkat terjadi pada sistem daya atau alasan lain yang menyebabkan tegangan terminal generator turun drastis, generator dapat dieksitasi secara paksa untuk meningkatkan batas stabilitas dinamis sistem daya dan akurasi tindakan proteksi relai. (4) Ketika tegangan lebih generator terjadi karena pelepasan beban tiba-tiba dan alasan lainnya, generator dapat didemagnetisasi secara paksa untuk membatasi peningkatan tegangan terminal generator yang berlebihan. (5) Meningkatkan stabilitas statis sistem tenaga. (6) Ketika hubungan pendek fase-ke-fase terjadi di dalam generator dan pada kabel utamanya atau tegangan terminal generator terlalu tinggi, demagnetisasi dilakukan dengan cepat untuk membatasi perluasan kecelakaan. (7) Daya reaktif generator paralel dapat didistribusikan secara wajar.
3. Klasifikasi sistem eksitasi Menurut cara generator memperoleh arus eksitasi (yaitu, metode pasokan catu daya eksitasi), sistem eksitasi dapat dibagi menjadi eksitasi eksternal dan eksitasi sendiri: arus eksitasi yang diperoleh dari catu daya lain disebut eksitasi eksternal; arus eksitasi yang diperoleh dari generator itu sendiri disebut eksitasi sendiri. Menurut metode rektifikasi, dapat dibagi menjadi eksitasi putar dan eksitasi statis. Sistem eksitasi statis tidak memiliki mesin eksitasi khusus. Jika memperoleh daya eksitasi dari generator itu sendiri, itu disebut eksitasi statis eksitasi sendiri. Eksitasi statis eksitasi sendiri dapat dibagi menjadi eksitasi paralel sendiri dan eksitasi peracikan sendiri.
Metode eksitasi yang paling umum digunakan adalah eksitasi paralel diri (self-parallel excitation) eksitasi statis, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Metode ini memperoleh daya eksitasi melalui transformator penyearah yang terhubung ke outlet generator, dan memasok arus eksitasi generator setelah penyearahan.
Diagram pengkabelan sistem eksitasi penyearah statis eksitasi paralel diri
Sistem eksitasi statis eksitasi paralel-sendiri terutama terdiri dari bagian-bagian berikut: transformator eksitasi, penyearah, perangkat demagnetisasi, pengontrol regulasi, dan perangkat proteksi tegangan lebih. Kelima bagian ini masing-masing melengkapi fungsi-fungsi berikut:
(1) Trafo eksitasi: Kurangi tegangan pada ujung mesin ke tegangan yang sesuai dengan penyearah.
(2) Penyearah: Ini adalah komponen inti dari keseluruhan sistem. Rangkaian jembatan tiga fase yang dikontrol penuh sering digunakan untuk menyelesaikan tugas konversi dari AC ke DC.
(3) Perangkat demagnetisasi: Perangkat demagnetisasi terdiri dari dua bagian, yaitu sakelar demagnetisasi dan resistor demagnetisasi. Perangkat ini bertanggung jawab untuk demagnetisasi cepat unit jika terjadi kecelakaan.
(4) Pengontrol regulasi: Perangkat kontrol sistem eksitasi mengubah arus eksitasi dengan mengendalikan sudut konduksi thyristor perangkat penyearah untuk mencapai efek pengaturan daya reaktif dan tegangan generator.
(5) Proteksi tegangan lebih: Ketika rangkaian rotor generator mengalami tegangan lebih, rangkaian dihidupkan untuk mengonsumsi energi tegangan lebih, membatasi nilai tegangan lebih, dan melindungi belitan rotor generator dan peralatan yang terhubung.
Keuntungan dari sistem eksitasi statis eksitasi paralel sendiri adalah: struktur sederhana, lebih sedikit peralatan, investasi rendah dan perawatan lebih sedikit. Kerugiannya adalah ketika generator atau sistem dihubung singkat, arus eksitasi akan hilang atau turun drastis, sedangkan arus eksitasi harus ditingkatkan secara signifikan (yaitu eksitasi paksa) saat ini. Namun, mengingat bahwa unit besar modern sebagian besar menggunakan busbar tertutup, dan jaringan listrik tegangan tinggi umumnya dilengkapi dengan proteksi cepat dan keandalan tinggi, jumlah unit yang menggunakan metode eksitasi ini meningkat, dan ini juga merupakan metode eksitasi yang direkomendasikan oleh peraturan dan spesifikasi. 4. Pengereman elektrik unit Ketika unit dibongkar dan dimatikan, sebagian energi mekanik disimpan karena inersia putar rotor yang sangat besar. Bagian energi ini hanya dapat dihentikan sepenuhnya setelah diubah menjadi energi panas gesekan bantalan dorong, bantalan pemandu, dan udara. Karena kehilangan gesekan udara sebanding dengan kuadrat kecepatan linier keliling, kecepatan rotor turun sangat cepat pada awalnya, dan kemudian akan berhenti untuk waktu yang lama pada kecepatan rendah. Ketika unit berjalan untuk waktu yang lama pada kecepatan rendah, semak dorong dapat terbakar karena lapisan oli antara pelat cermin di bawah kepala dorong dan semak bantalan tidak dapat terbentuk. Untuk alasan ini, selama proses penghentian, ketika kecepatan unit turun ke nilai tertentu yang ditentukan, sistem pengereman unit perlu digunakan. Pengereman unit dibagi menjadi pengereman elektrik, pengereman mekanis, dan pengereman gabungan. Pengereman elektrik adalah untuk melakukan hubungan arus pendek stator generator tiga fase di outlet ujung mesin setelah generator dilepaskan dan didemagnetisasi, dan menunggu kecepatan unit turun menjadi sekitar 50% hingga 60% dari kecepatan terukur. Melalui serangkaian operasi logis, daya pengereman disediakan, dan pengatur eksitasi beralih ke mode pengereman elektrik untuk menambahkan arus eksitasi ke belitan rotor generator. Karena generator berputar, stator menginduksi arus hubung singkat di bawah aksi medan magnet rotor. Torsi elektromagnetik yang dihasilkan berlawanan dengan arah inersia rotor, yang berperan sebagai pengereman. Dalam proses mewujudkan pengereman elektrik, catu daya pengereman perlu disediakan secara eksternal, yang terkait erat dengan struktur sirkuit utama sistem eksitasi. Berbagai cara untuk memperoleh catu daya eksitasi rem elektrik ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Berbagai cara untuk mendapatkan catu daya eksitasi rem listrik
Pada cara pertama, perangkat eksitasi adalah metode pengkabelan eksitasi paralel-sendiri. Ketika ujung mesin mengalami hubungan pendek, transformator eksitasi tidak memiliki catu daya. Catu daya pengereman berasal dari transformator rem khusus, dan transformator rem dihubungkan ke daya pembangkit. Seperti disebutkan di atas, sebagian besar proyek tenaga air menggunakan sistem eksitasi penyearah statis eksitasi paralel-sendiri, dan lebih ekonomis untuk menggunakan jembatan penyearah untuk sistem eksitasi dan sistem rem elektrik. Oleh karena itu, metode untuk memperoleh catu daya eksitasi rem elektrik ini lebih umum. Alur kerja pengereman elektrik dari metode ini adalah sebagai berikut:
(1) Pemutus sirkuit stopkontak unit dibuka dan sistem dipisahkan.
(2) Gulungan rotor didemagnetisasi.
(3) Sakelar daya pada sisi sekunder transformator eksitasi dibuka.
(4) Sakelar hubung singkat rem listrik unit ditutup.
(5) Saklar daya pada sisi sekunder transformator rem listrik ditutup.
(6) Thyristor jembatan penyearah dipicu untuk menghantarkan, dan unit memasuki keadaan rem listrik.
(7) Ketika kecepatan unit adalah nol, rem listrik dilepaskan (jika pengereman gabungan digunakan, ketika kecepatan mencapai 5% hingga 10% dari kecepatan terukur, pengereman mekanis diterapkan). 5. Sistem eksitasi cerdas Pembangkit listrik tenaga air cerdas mengacu pada kelompok pembangkit listrik tenaga air atau stasiun pembangkit listrik tenaga air dengan digitalisasi informasi, jaringan komunikasi, standarisasi terintegrasi, interaksi bisnis, optimalisasi operasi, dan pengambilan keputusan cerdas. Pembangkit listrik tenaga air cerdas dibagi secara vertikal menjadi lapisan proses, lapisan unit, dan lapisan kontrol stasiun, menggunakan struktur jaringan lapisan proses 3 lapis 2 (jaringan GOOSE, jaringan SV) dan jaringan lapisan kontrol stasiun (jaringan MMS). Pembangkit listrik tenaga air cerdas perlu didukung oleh peralatan cerdas. Sebagai sistem kontrol inti dari set generator turbin hidro, pengembangan teknologi sistem eksitasi memainkan peran pendukung yang penting dalam pembangunan pembangkit listrik tenaga air cerdas.
Pada PLTA cerdas, selain menyelesaikan tugas-tugas dasar seperti menyalakan dan mematikan turbin generator set, menambah dan mengurangi daya reaktif, dan penghentian darurat, sistem eksitasi juga harus mampu memenuhi fungsi pemodelan data dan komunikasi IEC61850, dan mendukung komunikasi dengan jaringan lapisan kontrol stasiun (jaringan MMS) dan jaringan lapisan proses (jaringan GOOSE dan jaringan SV). Perangkat sistem eksitasi disusun pada lapisan unit struktur sistem PLTA cerdas, dan unit penggabungan, terminal cerdas, unit kontrol tambahan, dan perangkat atau peralatan cerdas lainnya disusun pada lapisan proses. Struktur sistem ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Sistem eksitasi cerdas
Komputer induk dari lapisan kontrol stasiun dari pembangkit listrik tenaga air cerdas memenuhi persyaratan standar komunikasi IEC61850, dan mengirimkan sinyal sistem eksitasi ke komputer induk dari sistem pemantauan melalui jaringan MMS. Sistem eksitasi cerdas harus dapat terhubung dengan jaringan GOOSE dan sakelar jaringan SV untuk mengumpulkan data di lapisan proses. Lapisan proses mengharuskan agar data yang dikeluarkan oleh CT, PT, dan komponen lokal semuanya dalam bentuk digital. CT dan PT dihubungkan ke unit penggabungan (transformator elektronik dihubungkan dengan kabel optik, dan transformator elektromagnetik dihubungkan dengan kabel). Setelah data arus dan tegangan didigitalkan, keduanya dihubungkan ke sakelar jaringan SV melalui kabel optik. Komponen lokal diharuskan untuk dihubungkan ke terminal cerdas melalui kabel, dan sakelar atau sinyal analog diubah menjadi sinyal digital dan dikirimkan ke sakelar jaringan GOOSE melalui kabel optik. Saat ini, sistem eksitasi pada dasarnya memiliki fungsi komunikasi dengan jaringan MMS lapisan kontrol stasiun dan jaringan GOOSE/SV lapisan proses. Selain memenuhi interaksi informasi jaringan dari standar komunikasi IEC61850, sistem eksitasi cerdas juga harus memiliki pemantauan daring yang komprehensif, diagnosis kesalahan cerdas, serta pengoperasian dan pemeliharaan pengujian yang mudah. Kinerja dan efek aplikasi dari perangkat eksitasi cerdas yang berfungsi penuh perlu diuji dalam aplikasi rekayasa aktual di masa mendatang.
Waktu posting: 09-Okt-2024
