In natura, i fiumi presentano tutti una certa pendenza. L'acqua scorre lungo il letto del fiume per effetto della gravità. L'acqua ad alta quota contiene un'abbondante energia potenziale. Grazie a strutture idrauliche e apparecchiature elettromeccaniche, l'energia dell'acqua può essere convertita in energia elettrica, ovvero tramite la generazione di energia idroelettrica. Il principio alla base della generazione di energia idroelettrica è l'induzione elettromagnetica: quando un conduttore attraversa le linee di flusso magnetico in un campo magnetico, genera corrente. Il "movimento" del conduttore nel campo magnetico è ottenuto grazie all'impatto del flusso d'acqua sulla turbina, che converte l'energia idrica in energia meccanica rotazionale; 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 in corrente continua (CC), e la corrente CC 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 alimentazione dell'eccitazione e il regolatore di eccitazione. L'unità di alimentazione dell'eccitazione fornisce la corrente di eccitazione al rotore del generatore sincrono, e il regolatore di eccitazione controlla l'uscita dell'unità di alimentazione dell'eccitazione in base al segnale di ingresso e ai criteri di regolazione impostati.
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 è possibile mantenere la stabilità della tensione 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 reattiva Ir del generatore e la reattanza sincrona longitudinale Xd:
Il potenziale indotto Ed è proporzionale al flusso magnetico, e il flusso magnetico dipende dall'entità 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 notare 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 data regola 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. Tutte si basano sulla creazione di un campo magnetico alternato per convertire e trasferire energia. La potenza elettrica necessaria per creare un campo magnetico alternato e il flusso magnetico indotto è chiamata potenza reattiva. Tutte le apparecchiature elettriche con bobine elettromagnetiche consumano potenza reattiva per generare un campo magnetico. Senza potenza reattiva, il motore non ruoterebbe, il trasformatore non sarebbe in grado di convertire la tensione e molte apparecchiature elettriche non funzionerebbero. Pertanto, la potenza reattiva non è affatto una potenza inutile. In condizioni normali, le apparecchiature elettriche non solo ricevono potenza attiva dal generatore, ma necessitano anche di potenza reattiva. Se la potenza reattiva nella rete elettrica è insufficiente, le apparecchiature elettriche non avranno potenza reattiva a sufficienza per generare un campo elettromagnetico adeguato. Di conseguenza, queste apparecchiature non saranno in grado di funzionare a regime e la tensione ai loro terminali diminuirà, compromettendo 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'intensità della corrente di eccitazione. Il principio specifico non verrà approfondito in questa sede. (3) Quando si verifica un incidente di cortocircuito nel sistema di alimentazione o altri motivi causano un grave calo 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 altri motivi, 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 di collegamento 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 in parallelo può essere distribuita in modo ragionevole.
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'energia di eccitazione), il sistema di eccitazione può essere suddiviso in eccitazione esterna e auto-eccitazione: la corrente di eccitazione ottenuta da altre fonti di alimentazione è detta eccitazione esterna; la corrente di eccitazione ottenuta dal generatore stesso è detta auto-eccitazione. In base al metodo di rettifica, si può distinguere tra eccitazione rotativa ed eccitazione statica. Il sistema di eccitazione statica non dispone di una macchina di eccitazione specifica. Se ottiene l'energia di eccitazione dal generatore stesso, si parla di eccitazione statica ad auto-eccitazione. L'eccitazione statica ad auto-eccitazione può essere ulteriormente suddivisa in auto-parallela ed auto-composta.
Il metodo di eccitazione più comunemente utilizzato è l'eccitazione statica autoparallela, come mostrato nella figura sottostante. L'energia di eccitazione viene ottenuta tramite un trasformatore raddrizzatore collegato all'uscita del generatore, che, dopo la rettifica, fornisce la corrente di eccitazione al generatore.
Schema di cablaggio del sistema di eccitazione del raddrizzatore statico ad auto-parallelo
Il sistema di eccitazione statica ad auto-parallelo è costituito principalmente dalle seguenti parti: trasformatore di eccitazione, raddrizzatore, dispositivo di smagnetizzazione, regolatore di tensione e dispositivo di protezione da sovratensione. Queste cinque parti svolgono rispettivamente le seguenti funzioni:
(1) Trasformatore di eccitazione: ridurre la tensione all'estremità della macchina a una tensione corrispondente a quella del raddrizzatore.
(2) Raddrizzatore: è il componente principale dell'intero sistema. Spesso si utilizza un circuito a ponte trifase completamente controllato per completare la conversione da CA a CC.
(3) Dispositivo di smagnetizzazione: Il dispositivo di smagnetizzazione è costituito da due parti, ovvero l'interruttore di smagnetizzazione e la resistenza di smagnetizzazione. Questo dispositivo è responsabile della rapida smagnetizzazione dell'unità in caso di incidente.
(4) Regolatore di controllo: 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 si attiva per consumare l'energia della sovratensione, limitare il valore della sovratensione e proteggere l'avvolgimento del rotore del generatore e le sue apparecchiature collegate.
I vantaggi del sistema di eccitazione statica ad auto-parallelo sono: struttura semplice, meno apparecchiature, basso investimento e minore manutenzione. Lo svantaggio è che quando il generatore o il sistema è in cortocircuito, la corrente di eccitazione scompare o diminuisce drasticamente, mentre in questo caso dovrebbe essere notevolmente aumentata (ovvero eccitazione forzata). Tuttavia, considerando che le moderne unità di grandi dimensioni utilizzano per lo più sbarre collettrici chiuse e che le reti elettriche ad alta tensione sono generalmente dotate di protezione rapida e alta affidabilità, il numero di unità che utilizzano questo metodo di eccitazione è in aumento, ed è anche il metodo di eccitazione raccomandato da normative e specifiche. 4. Frenatura elettrica dell'unità Quando l'unità è scarica e si arresta, una parte dell'energia meccanica viene immagazzinata a causa dell'enorme inerzia rotazionale del rotore. Questa parte di energia può essere completamente arrestata solo dopo essere stata convertita in energia termica da attrito del cuscinetto reggispinta, del cuscinetto di guida e dell'aria. Poiché la perdita di carico dovuta all'attrito dell'aria è proporzionale al quadrato della velocità lineare della circonferenza, la velocità del rotore diminuisce molto rapidamente all'inizio, per poi rimanere a regime minimo per un lungo periodo. Quando l'unità funziona a lungo a bassa velocità, la boccola di spinta potrebbe bruciarsi perché non si riesce a formare un film d'olio tra la piastra dello specchio sotto la testa di spinta e la boccola del cuscinetto. Per questo motivo, durante la fase di arresto, quando la velocità dell'unità scende al di sotto di un determinato valore specificato, è necessario attivare il sistema di frenatura dell'unità. La frenatura 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 nell'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 commuta in 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 e svolge una funzione frenante. Nel processo di realizzazione della frenatura elettrica, è necessario fornire l'alimentazione di frenatura esternamente, il che è strettamente correlato alla struttura del circuito principale del sistema di eccitazione. Nella figura seguente sono illustrati diversi metodi per ottenere l'alimentazione di eccitazione per la frenatura elettrica.
Diversi modi per ottenere l'alimentazione di eccitazione del freno elettrico
Nel primo metodo, il dispositivo di eccitazione utilizza un cablaggio di eccitazione autoparallelo. 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, collegato alla rete elettrica 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 di alimentazione dell'eccitazione del freno elettrico è il più comune. Il flusso di lavoro della frenatura elettrica con questo metodo è il seguente:
(1) L'interruttore automatico del circuito 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 viene 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 viene utilizzata 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 una centrale idroelettrica o a un gruppo di centrali idroelettriche con digitalizzazione delle informazioni, rete di comunicazione, standardizzazione integrata, interazione commerciale, 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 centrale, utilizzando una struttura a 3 livelli e 2 reti di rete del livello di processo (rete GOOSE, rete SV) e rete del livello di controllo della centrale (rete MMS). Le centrali idroelettriche intelligenti devono essere supportate da apparecchiature intelligenti. In quanto sistema di controllo centrale del gruppo idroturbina-generatore, lo sviluppo tecnologico del sistema di eccitazione svolge un ruolo di supporto importante 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 e comunicazione dei dati IEC61850 e supportare la comunicazione con la rete del livello di controllo della centrale (rete MMS) e la rete del livello di processo (rete GOOSE e rete SV). Il dispositivo del sistema di eccitazione è disposto al livello di unità della struttura del sistema della centrale idroelettrica intelligente, mentre l'unità di confluenza, il terminale intelligente, l'unità di controllo ausiliaria e altri dispositivi o apparecchiature intelligenti sono disposti al 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 con gli switch di rete GOOSE e SV per raccogliere i dati a livello di processo. Il livello di processo richiede che i dati in uscita dai trasformatori di corrente (CT), di tensione (PT) e dai componenti locali siano tutti in formato digitale. I CT e i PT sono collegati all'unità di fusione (i trasformatori elettronici sono collegati tramite cavi in fibra ottica e i trasformatori elettromagnetici tramite cavi). Dopo la digitalizzazione dei dati di corrente e tensione, questi vengono collegati allo switch di rete SV tramite cavi in fibra ottica. I componenti locali devono essere collegati al terminale intelligente tramite cavi e i segnali analogici o di commutazione vengono convertiti in segnali digitali e trasmessi allo switch di rete GOOSE tramite cavi in fibra ottica. Attualmente, il sistema di eccitazione ha sostanzialmente la funzione di comunicazione con la rete MMS del livello di controllo della stazione e con la rete GOOSE/SV del livello di processo. Oltre a soddisfare i requisiti di interazione delle informazioni di rete dello 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 procedure di test e manutenzione agevoli. Le prestazioni e l'efficacia applicativa del dispositivo di eccitazione intelligente pienamente funzionale dovranno essere testate in future applicazioni ingegneristiche reali.
Data di pubblicazione: 9 ottobre 2024
