Sungai-sungai di alam semuanya memiliki kemiringan tertentu. Air mengalir di sepanjang dasar sungai di bawah pengaruh gravitasi. Air di ketinggian mengandung energi potensial yang melimpah. Dengan bantuan struktur hidrolik dan peralatan elektromekanik, energi air dapat diubah menjadi energi listrik, yaitu pembangkitan tenaga air. Prinsip pembangkitan tenaga air adalah induksi elektromagnetik, yaitu ketika konduktor memotong garis fluks magnetik dalam medan magnet, ia akan menghasilkan arus. Di antaranya, "pergerakan" konduktor dalam medan magnet dicapai oleh aliran air yang mengenai 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 kumparan rotor generator, yaitu, magnetisme 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 di rotor generator sesuai dengan prinsip induksi elektromagnetik disebut eksitasi. Sistem eksitasi mengacu pada peralatan yang menyediakan arus eksitasi untuk generator sinkron. Ini merupakan bagian penting dari generator sinkron. Umumnya 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 keluaran unit daya eksitasi sesuai dengan sinyal masukan dan kriteria pengaturan 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 menyesuaikan arus eksitasi sesuai dengan hukum yang diberikan berdasarkan tegangan terminal generator dan kondisi beban untuk menjaga stabilitas tegangan. Mengapa stabilitas tegangan dapat dijaga dengan menyesuaikan arus eksitasi? Terdapat 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 berbanding lurus dengan fluks magnet, dan fluks magnet bergantung pada besarnya arus eksitasi. Ketika arus eksitasi tetap tidak berubah, fluks magnet dan potensial induksi Ed tetap tidak berubah. Dari rumus di atas, dapat dilihat bahwa tegangan terminal generator akan menurun seiring dengan peningkatan arus reaktif. Namun, untuk memenuhi persyaratan pengguna terhadap kualitas daya, tegangan terminal generator pada dasarnya harus tetap tidak berubah. Jelas, cara untuk mencapai persyaratan ini adalah dengan menyesuaikan arus eksitasi generator sesuai dengan perubahan arus reaktif Ir (yaitu, perubahan beban). (2) Sesuai dengan 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 terinduksi disebut daya reaktif. Semua peralatan listrik dengan kumparan elektromagnetik mengkonsumsi daya reaktif untuk membangun medan magnet. Tanpa daya reaktif, motor tidak akan berputar, transformator tidak akan mampu 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 di jaringan listrik kurang, peralatan listrik tidak akan memiliki daya reaktif yang cukup untuk membangun medan elektromagnetik normal. Kemudian peralatan listrik ini tidak dapat mempertahankan operasi nominal, 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 dihasilkan oleh generator berkaitan dengan besarnya arus eksitasi. Prinsip spesifiknya tidak akan dijelaskan di sini. (3) Ketika terjadi kecelakaan hubung singkat di sistem tenaga listrik atau alasan lain yang menyebabkan tegangan terminal generator turun drastis, generator dapat dieksitasi secara paksa untuk meningkatkan batas stabilitas dinamis sistem tenaga listrik dan akurasi tindakan proteksi relai. (4) Ketika terjadi tegangan lebih pada generator akibat pemadaman beban mendadak dan alasan lainnya, generator dapat didemagnetisasi secara paksa untuk membatasi peningkatan tegangan terminal generator yang berlebihan. (5) Meningkatkan stabilitas statis sistem tenaga. (6) Ketika terjadi korsleting antar fasa di dalam generator dan pada kabel penghantarnya 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 penyediaan daya eksitasi), sistem eksitasi dapat dibagi menjadi eksitasi eksternal dan eksitasi mandiri: arus eksitasi yang diperoleh dari sumber daya lain disebut eksitasi eksternal; arus eksitasi yang diperoleh dari generator itu sendiri disebut eksitasi mandiri. Menurut metode penyearahan, dapat dibagi menjadi eksitasi putar dan eksitasi statis. Sistem eksitasi statis tidak memiliki mesin eksitasi khusus. Jika memperoleh daya eksitasi dari generator itu sendiri, maka disebut eksitasi statis mandiri. Eksitasi statis mandiri dapat dibagi menjadi eksitasi paralel mandiri dan eksitasi gabungan mandiri.
Metode eksitasi yang paling umum digunakan adalah eksitasi statis paralel sendiri, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah. Metode ini memperoleh daya eksitasi melalui transformator penyearah yang terhubung ke keluaran generator, dan memasok arus eksitasi generator setelah penyearahan.
Diagram pengkabelan sistem eksitasi penyearah statis eksitasi paralel sendiri
Sistem eksitasi statis eksitasi paralel mandiri terutama terdiri dari bagian-bagian berikut: transformator eksitasi, penyearah, perangkat demagnetisasi, pengontrol regulasi, dan perangkat proteksi tegangan lebih. Kelima bagian ini masing-masing menjalankan fungsi-fungsi berikut:
(1) Transformator eksitasi: Menurunkan tegangan di ujung mesin ke tegangan yang sesuai dengan penyearah.
(2) Penyearah: Ini adalah komponen inti dari keseluruhan sistem. Rangkaian jembatan tiga fasa yang dikendalikan sepenuhnya 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 pengaturan: Perangkat kontrol sistem eksitasi mengubah arus eksitasi dengan mengontrol sudut konduksi thyristor perangkat penyearah untuk mencapai efek pengaturan daya reaktif dan tegangan generator.
(5) Perlindungan tegangan berlebih: Ketika rangkaian rotor generator mengalami tegangan berlebih, rangkaian diaktifkan untuk mengonsumsi energi tegangan berlebih, membatasi nilai tegangan berlebih, dan melindungi gulungan rotor generator dan peralatan yang terhubung dengannya.
Keunggulan sistem eksitasi statis eksitasi paralel mandiri adalah: struktur sederhana, peralatan lebih sedikit, investasi rendah, dan perawatan lebih sedikit. Kekurangannya adalah ketika generator atau sistem mengalami korsleting, arus eksitasi akan hilang atau turun drastis, sementara arus eksitasi harus ditingkatkan secara signifikan (yaitu eksitasi paksa) pada saat itu. 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 semakin meningkat, dan ini juga merupakan metode eksitasi yang direkomendasikan oleh peraturan dan spesifikasi. 4. Pengereman listrik unit Ketika unit tidak berbeban dan dimatikan, sebagian energi mekanik tersimpan karena inersia rotasi 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 berputar dalam waktu lama pada kecepatan rendah. Ketika unit beroperasi dalam waktu lama pada kecepatan rendah, bantalan dorong dapat terbakar karena lapisan oli antara pelat cermin di bawah kepala dorong dan bantalan tidak dapat terbentuk. Karena alasan ini, selama proses pematian, ketika kecepatan unit turun ke nilai tertentu yang ditentukan, sistem pengereman unit perlu diaktifkan. Pengereman unit dibagi menjadi pengereman listrik, pengereman mekanis, dan pengereman gabungan. Pengereman listrik dilakukan dengan menghubungkan singkat stator generator tiga fasa di outlet ujung mesin setelah generator dilepas dan didemagnetisasi, dan menunggu kecepatan unit turun hingga sekitar 50% hingga 60% dari kecepatan nominal. Melalui serangkaian operasi logis, daya pengereman diberikan, dan regulator eksitasi beralih ke mode pengereman listrik untuk menambahkan arus eksitasi ke kumparan rotor generator. Karena generator berputar, stator menginduksi arus hubung singkat di bawah pengaruh 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 berkaitan erat dengan struktur rangkaian utama sistem eksitasi. Berbagai cara untuk mendapatkan 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 menggunakan metode pengkabelan eksitasi paralel sendiri. Ketika ujung mesin mengalami korsleting, transformator eksitasi tidak memiliki catu daya. Catu daya pengereman berasal dari transformator rem khusus, dan transformator rem terhubung ke daya pembangkit. Seperti yang disebutkan di atas, sebagian besar proyek PLTA menggunakan sistem eksitasi penyearah statis paralel sendiri, dan lebih ekonomis untuk menggunakan jembatan penyearah untuk sistem eksitasi dan sistem rem listrik. Oleh karena itu, metode ini untuk mendapatkan catu daya eksitasi rem listrik lebih umum. Alur kerja pengereman listrik pada metode ini adalah sebagai berikut:
(1) Pemutus sirkuit outlet unit dibuka dan sistem diputus.
(2) Gulungan rotor mengalami demagnetisasi.
(3) Sakelar daya pada sisi sekunder transformator eksitasi dibuka.
(4) Sakelar hubung singkat rem listrik unit tertutup.
(5) Sakelar daya pada sisi sekunder transformator rem listrik ditutup.
(6) Thyristor jembatan penyearah terpicu untuk menghantarkan arus, dan unit memasuki keadaan rem listrik.
(7) Ketika kecepatan unit nol, rem listrik dilepas (jika pengereman gabungan digunakan, ketika kecepatan mencapai 5% hingga 10% dari kecepatan nominal, pengereman mekanis diterapkan). 5. Sistem eksitasi cerdas Pembangkit listrik tenaga air cerdas mengacu pada pembangkit listrik tenaga air atau kelompok stasiun tenaga air dengan digitalisasi informasi, jaringan komunikasi, standardisasi terintegrasi, interaksi bisnis, optimasi operasi, dan pengambilan keputusan cerdas. Pembangkit listrik tenaga air cerdas secara vertikal dibagi menjadi lapisan proses, lapisan unit, dan lapisan kontrol stasiun, menggunakan struktur 3-lapisan 2-jaringan dari jaringan lapisan proses (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 genset turbin air, pengembangan teknologi sistem eksitasi memainkan peran pendukung penting dalam pembangunan pembangkit listrik tenaga air cerdas.
Pada pembangkit listrik tenaga air cerdas, selain menyelesaikan tugas-tugas dasar seperti menghidupkan dan mematikan turbin generator, menambah dan mengurangi daya reaktif, dan penghentian darurat, sistem eksitasi juga harus mampu memenuhi fungsi pemodelan dan komunikasi data IEC61850, serta mendukung komunikasi dengan jaringan lapisan kontrol stasiun (jaringan MMS) dan jaringan lapisan proses (jaringan GOOSE dan jaringan SV). Perangkat sistem eksitasi ditempatkan pada lapisan unit struktur sistem pembangkit listrik tenaga air cerdas, sedangkan unit penggabungan, terminal cerdas, unit kontrol bantu, dan perangkat atau peralatan cerdas lainnya ditempatkan pada lapisan proses. Struktur sistem ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Sistem eksitasi cerdas
Komputer host lapisan kontrol stasiun pembangkit listrik tenaga air cerdas memenuhi persyaratan standar komunikasi IEC61850, dan mengirimkan sinyal sistem eksitasi ke komputer host sistem pemantauan melalui jaringan MMS. Sistem eksitasi cerdas harus dapat terhubung dengan jaringan GOOSE dan switch jaringan SV untuk mengumpulkan data pada lapisan proses. Lapisan proses mensyaratkan bahwa data keluaran dari CT, PT, dan komponen lokal semuanya dalam bentuk digital. CT dan PT terhubung ke unit penggabungan (transformator elektronik terhubung dengan kabel optik, dan transformator elektromagnetik terhubung dengan kabel). Setelah data arus dan tegangan didigitalkan, data tersebut dihubungkan ke switch jaringan SV melalui kabel optik. Komponen lokal diharuskan terhubung ke terminal cerdas melalui kabel, dan sinyal switch atau analog dikonversi menjadi sinyal digital dan ditransmisikan ke switch 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 standar komunikasi IEC61850, sistem eksitasi cerdas juga harus memiliki pemantauan online 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 teknik aktual di masa mendatang.
Waktu posting: 09-Oktober-2024
