In natura, i fiumi hanno tutti una certa pendenza. L'acqua scorre lungo il letto del fiume sotto l'azione della gravità. L'acqua ad alta quota contiene abbondante energia potenziale. Con l'ausilio di strutture idrauliche e apparecchiature elettromeccaniche, l'energia dell'acqua può essere convertita in energia elettrica, ovvero nella produzione di energia idroelettrica. Il principio della produzione di energia idroelettrica è l'induzione elettromagnetica, ovvero quando un conduttore interseca le linee di flusso magnetico in un campo magnetico, genera corrente. Tra questi, il "movimento" del conduttore nel campo magnetico è ottenuto dal flusso d'acqua che impatta sulla turbina per convertire l'energia idrica in energia meccanica rotazionale; e il campo magnetico è quasi sempre formato dalla corrente di eccitazione generata dal sistema di eccitazione che scorre attraverso l'avvolgimento del rotore del generatore, ovvero il magnetismo è generato dall'elettricità.
1. Cos'è il sistema di eccitazione? Per realizzare la conversione di energia, il generatore sincrono necessita di un campo magnetico continuo (CC) e la corrente continua che genera questo campo magnetico è chiamata corrente di eccitazione del generatore. Generalmente, il processo di formazione di un campo magnetico nel rotore del generatore secondo il principio dell'induzione elettromagnetica è chiamato eccitazione. Il sistema di eccitazione si riferisce all'apparecchiatura che fornisce la corrente di eccitazione al generatore sincrono. È una parte importante del generatore sincrono. Generalmente è costituito da due parti principali: l'unità di potenza di eccitazione e il regolatore di eccitazione. L'unità di potenza di eccitazione fornisce la corrente di eccitazione al rotore del generatore sincrono e il regolatore di eccitazione controlla l'uscita dell'unità di potenza di eccitazione in base al segnale di ingresso e ai criteri di regolazione specificati.
2. Funzione del sistema di eccitazione Il sistema di eccitazione ha le seguenti funzioni principali: (1) In condizioni operative normali, fornisce la corrente di eccitazione del generatore e regola la corrente di eccitazione secondo la legge data in base alla tensione ai terminali del generatore e alle condizioni di carico per mantenere la stabilità della tensione. Perché la stabilità della tensione può essere mantenuta regolando la corrente di eccitazione? Esiste una relazione approssimativa tra il potenziale indotto (cioè il potenziale a vuoto) Ed dell'avvolgimento dello statore del generatore, la tensione ai terminali Ug, la corrente di carico reattivo Ir del generatore e la reattanza sincrona longitudinale Xd:
Il potenziale indotto Ed è proporzionale al flusso magnetico, e il flusso magnetico dipende dall'intensità della corrente di eccitazione. Quando la corrente di eccitazione rimane invariata, il flusso magnetico e il potenziale indotto Ed rimangono invariati. Dalla formula precedente, si può osservare che la tensione ai terminali del generatore diminuirà con l'aumento della corrente reattiva. Tuttavia, per soddisfare i requisiti dell'utente in termini di qualità dell'energia, la tensione ai terminali del generatore dovrebbe rimanere sostanzialmente invariata. Ovviamente, il modo per soddisfare questo requisito è regolare la corrente di eccitazione del generatore al variare della corrente reattiva Ir (ovvero, al variare del carico). (2) In base alle condizioni di carico, la corrente di eccitazione viene regolata secondo una regola specifica per regolare la potenza reattiva. Perché è necessario regolare la potenza reattiva? Molte apparecchiature elettriche funzionano in base al principio dell'induzione elettromagnetica, come trasformatori, motori, saldatrici, ecc. Tutti si basano sulla creazione di un campo magnetico alternato per convertire e trasferire energia. La potenza elettrica necessaria per stabilire un campo magnetico alternato e un flusso magnetico indotto è chiamata potenza reattiva. Tutte le apparecchiature elettriche dotate di bobine elettromagnetiche consumano potenza reattiva per stabilire un campo magnetico. Senza potenza reattiva, il motore non ruota, il trasformatore non è in grado di trasformare la tensione e molte apparecchiature elettriche non funzionano. Pertanto, la potenza reattiva non è affatto inutile. In circostanze normali, le apparecchiature elettriche non solo ottengono potenza attiva dal generatore, ma devono anche ottenere potenza reattiva da esso. Se la potenza reattiva nella rete elettrica è scarsa, le apparecchiature elettriche non avranno potenza reattiva sufficiente per stabilire un campo elettromagnetico normale. Queste apparecchiature elettriche non possono quindi mantenere il funzionamento nominale e la tensione ai terminali dell'apparecchiatura elettrica diminuisce, compromettendone così il normale funzionamento. Pertanto, è necessario regolare la potenza reattiva in base al carico effettivo e la potenza reattiva erogata dal generatore è correlata all'entità della corrente di eccitazione. Il principio specifico non verrà elaborato in questa sede. (3) Quando si verifica un cortocircuito nel sistema di alimentazione o altre ragioni causano un calo significativo della tensione ai terminali del generatore, il generatore può essere eccitato forzatamente per migliorare il limite di stabilità dinamica del sistema di alimentazione e la precisione dell'azione di protezione del relè. (4) Quando si verifica una sovratensione del generatore a causa di un improvviso distacco del carico e per altre ragioni, il generatore può essere smagnetizzato forzatamente per limitare l'eccessivo aumento della tensione ai terminali del generatore. (5) Migliorare la stabilità statica del sistema di alimentazione. (6) Quando si verifica un cortocircuito fase-fase all'interno del generatore e sui suoi cavi conduttori o la tensione ai terminali del generatore è troppo alta, la smagnetizzazione viene eseguita rapidamente per limitare l'espansione dell'incidente. (7) La potenza reattiva dei generatori paralleli può essere ragionevolmente distribuita.
3. Classificazione dei sistemi di eccitazione In base al modo in cui il generatore ottiene la corrente di eccitazione (ovvero il metodo di alimentazione dell'alimentatore di eccitazione), il sistema di eccitazione può essere suddiviso in eccitazione esterna e autoeccitazione: la corrente di eccitazione ottenuta da altre fonti di energia è chiamata eccitazione esterna; la corrente di eccitazione ottenuta dal generatore stesso è chiamata autoeccitazione. In base al metodo di rettifica, può essere suddiviso in eccitazione rotativa ed eccitazione statica. Il sistema di eccitazione statica non ha una macchina di eccitazione speciale. Se ottiene la potenza di eccitazione dal generatore stesso, è chiamato eccitazione statica ad autoeccitazione. L'eccitazione statica ad autoeccitazione può essere suddivisa in eccitazione autoparallela ed eccitazione autocomposta.
Il metodo di eccitazione più comunemente utilizzato è l'eccitazione statica autoparallela, come mostrato nella figura sottostante. Ottiene la potenza di eccitazione tramite il trasformatore raddrizzatore collegato all'uscita del generatore e fornisce la corrente di eccitazione al generatore dopo la raddrizzatura.
Schema elettrico del sistema di eccitazione del raddrizzatore statico ad eccitazione autoparallela
Il sistema di eccitazione statica autoparallela è costituito principalmente dai seguenti componenti: trasformatore di eccitazione, raddrizzatore, dispositivo di smagnetizzazione, regolatore di tensione e dispositivo di protezione da sovratensione. Questi cinque componenti svolgono rispettivamente le seguenti funzioni:
(1) Trasformatore di eccitazione: ridurre la tensione all'estremità della macchina a una tensione corrispondente al raddrizzatore.
(2) Raddrizzatore: è il componente principale dell'intero sistema. Per completare la conversione da CA a CC, viene spesso utilizzato un circuito a ponte trifase completamente controllato.
(3) Dispositivo di smagnetizzazione: il dispositivo di smagnetizzazione è costituito da due parti, ovvero l'interruttore di smagnetizzazione e il resistore di smagnetizzazione. Questo dispositivo è responsabile della rapida smagnetizzazione dell'unità in caso di incidente.
(4) Regolatore di regolazione: il dispositivo di controllo del sistema di eccitazione modifica la corrente di eccitazione controllando l'angolo di conduzione del tiristore del dispositivo raddrizzatore per ottenere l'effetto di regolazione della potenza reattiva e della tensione del generatore.
(5) Protezione da sovratensione: quando il circuito del rotore del generatore presenta una sovratensione, il circuito viene attivato per consumare l'energia di sovratensione, limitare il valore di sovratensione e proteggere l'avvolgimento del rotore del generatore e le apparecchiature collegate.
I vantaggi del sistema di eccitazione statica autoparallela sono: struttura semplice, meno apparecchiature, bassi investimenti e minore manutenzione. Lo svantaggio è che quando il generatore o il sistema è in cortocircuito, la corrente di eccitazione scompare o diminuisce notevolmente, mentre la corrente di eccitazione dovrebbe essere notevolmente aumentata (ovvero eccitazione forzata) in questo momento. Tuttavia, considerando che le moderne unità di grandi dimensioni utilizzano principalmente sbarre collettrici chiuse e che le reti elettriche ad alta tensione sono generalmente dotate di protezione rapida ed elevata affidabilità, il numero di unità che utilizzano questo metodo di eccitazione è in aumento, ed è anche questo il metodo di eccitazione raccomandato da normative e specifiche. 4. Frenatura elettrica dell'unità Quando l'unità viene scaricata e spenta, una parte dell'energia meccanica viene immagazzinata a causa dell'elevata inerzia rotazionale del rotore. Questa parte di energia può essere completamente arrestata solo dopo essere stata convertita in energia termica di attrito del cuscinetto reggispinta, del cuscinetto di guida e dell'aria. Poiché la perdita di carico per attrito dell'aria è proporzionale al quadrato della velocità lineare lungo la circonferenza, la velocità del rotore inizialmente diminuisce molto rapidamente, per poi girare a vuoto a lungo a bassa velocità. Quando l'unità funziona a lungo a bassa velocità, la boccola reggispinta potrebbe bruciarsi perché non si forma il film d'olio tra la piastra a specchio sotto la testa reggispinta e la boccola del cuscinetto. Per questo motivo, durante il processo di arresto, quando la velocità dell'unità scende a un valore specificato, è necessario attivare il sistema frenante dell'unità. Il sistema frenante dell'unità si divide in frenatura elettrica, frenatura meccanica e frenatura combinata. La frenatura elettrica consiste nel cortocircuitare lo statore del generatore trifase all'uscita lato macchina dopo che il generatore è stato disaccoppiato e smagnetizzato, e attendere che la velocità dell'unità scenda a circa il 50%-60% della velocità nominale. Attraverso una serie di operazioni logiche, viene fornita la potenza frenante e il regolatore di eccitazione passa alla modalità di frenatura elettrica per aggiungere corrente di eccitazione all'avvolgimento del rotore del generatore. Poiché il generatore è in rotazione, lo statore induce una corrente di cortocircuito sotto l'azione del campo magnetico del rotore. La coppia elettromagnetica generata è esattamente opposta alla direzione di inerzia del rotore, che svolge una funzione frenante. Per realizzare la frenatura elettrica, l'alimentazione di frenatura deve essere fornita esternamente, il che è strettamente correlato alla struttura del circuito principale del sistema di eccitazione. Nella figura seguente sono illustrate diverse modalità per ottenere l'alimentazione di eccitazione del freno elettrico.
Diversi modi per ottenere l'alimentazione elettrica per l'eccitazione del freno
Nel primo caso, il dispositivo di eccitazione è un metodo di cablaggio con eccitazione autoparallela. Quando il lato macchina è in cortocircuito, il trasformatore di eccitazione non riceve alimentazione. L'alimentazione di frenatura proviene da un trasformatore di frenatura dedicato, che è collegato all'alimentazione dell'impianto. Come accennato in precedenza, la maggior parte dei progetti idroelettrici utilizza un sistema di eccitazione con raddrizzatore statico autoparallelo, ed è più economico utilizzare un ponte raddrizzatore per il sistema di eccitazione e il sistema di frenatura elettrica. Pertanto, questo metodo per ottenere l'alimentazione di eccitazione della frenatura elettrica è il più comune. Il flusso di lavoro della frenatura elettrica con questo metodo è il seguente:
(1) L'interruttore automatico di uscita dell'unità viene aperto e il sistema viene disaccoppiato.
(2) L'avvolgimento del rotore è smagnetizzato.
(3) L'interruttore di alimentazione sul lato secondario del trasformatore di eccitazione è aperto.
(4) L'interruttore di cortocircuito del freno elettrico dell'unità è chiuso.
(5) L'interruttore di alimentazione sul lato secondario del trasformatore del freno elettrico è chiuso.
(6) Il tiristore del ponte raddrizzatore viene attivato per condurre e l'unità entra nello stato di freno elettrico.
(7) Quando la velocità dell'unità è zero, il freno elettrico viene rilasciato (se si utilizza la frenatura combinata, quando la velocità raggiunge il 5% - 10% della velocità nominale, viene applicata la frenatura meccanica). 5. Sistema di eccitazione intelligente Una centrale idroelettrica intelligente si riferisce a un gruppo di centrali idroelettriche o di stazioni idroelettriche con digitalizzazione delle informazioni, reti di comunicazione, standardizzazione integrata, interazione aziendale, ottimizzazione operativa e processo decisionale intelligente. Le centrali idroelettriche intelligenti sono suddivise verticalmente in livello di processo, livello di unità e livello di controllo della stazione, utilizzando una struttura a 3 strati e 2 reti di rete del livello di processo (rete GOOSE, rete SV) e rete del livello di controllo della stazione (rete MMS). Le centrali idroelettriche intelligenti devono essere supportate da apparecchiature intelligenti. In quanto sistema di controllo centrale del gruppo elettrogeno a turbina idraulica, lo sviluppo tecnologico del sistema di eccitazione svolge un importante ruolo di supporto nella costruzione di centrali idroelettriche intelligenti.
Nelle centrali idroelettriche intelligenti, oltre a svolgere compiti di base come l'avvio e l'arresto del gruppo turbina-generatore, l'aumento e la diminuzione della potenza reattiva e l'arresto di emergenza, il sistema di eccitazione deve anche essere in grado di soddisfare le funzioni di modellazione dei dati e comunicazione IEC61850 e supportare la comunicazione con la rete di controllo della stazione (rete MMS) e la rete di processo (rete GOOSE e rete SV). Il dispositivo del sistema di eccitazione è disposto a livello di unità della struttura di sistema della centrale idroelettrica intelligente, mentre l'unità di fusione, il terminale intelligente, l'unità di controllo ausiliaria e altri dispositivi o apparecchiature intelligenti sono disposti a livello di processo. La struttura del sistema è mostrata nella figura seguente.
Sistema di eccitazione intelligente
Il computer host del livello di controllo della stazione della centrale idroelettrica intelligente soddisfa i requisiti dello standard di comunicazione IEC61850 e invia il segnale del sistema di eccitazione al computer host del sistema di monitoraggio tramite la rete MMS. Il sistema di eccitazione intelligente deve essere in grado di connettersi alla rete GOOSE e agli switch di rete SV per raccogliere dati a livello di processo. Il livello di processo richiede che i dati in uscita da CT, PT e componenti locali siano tutti in formato digitale. CT e PT sono collegati all'unità di fusione (i trasformatori elettronici sono collegati tramite cavi ottici e i trasformatori elettromagnetici sono collegati tramite cavi). Dopo la digitalizzazione dei dati di corrente e tensione, questi vengono collegati allo switch di rete SV tramite cavi ottici. I componenti locali devono essere collegati al terminale intelligente tramite cavi e i segnali di commutazione o analogici vengono convertiti in segnali digitali e trasmessi allo switch di rete GOOSE tramite cavi ottici. Attualmente, il sistema di eccitazione ha essenzialmente la funzione di comunicare con la rete MMS del livello di controllo della stazione e la rete GOOSE/SV del livello di processo. Oltre a soddisfare i requisiti di interazione delle informazioni di rete previsti dallo standard di comunicazione IEC61850, il sistema di eccitazione intelligente dovrebbe anche disporre di un monitoraggio online completo, di una diagnosi intelligente dei guasti e di un pratico sistema di test e manutenzione. Le prestazioni e l'efficacia applicativa del dispositivo di eccitazione intelligente completamente funzionante dovranno essere testate in future applicazioni ingegneristiche concrete.
Data di pubblicazione: 09-10-2024
