自然界の河川はすべて一定の勾配を持っています。水は重力の作用で河床に沿って流れます。標高の高い水は豊富な位置エネルギーを蓄えています。水力構造物と電気機械設備の助けを借りて、水のエネルギーを電気エネルギー、つまり水力発電に変換することができます。水力発電の原理は電磁誘導、つまり導体が磁場内で磁束線を切ると電流が発生します。その中で、磁場内での導体の「運動」は、水流がタービンに衝突して水のエネルギーを回転機械エネルギーに変換することによって実現されます。そして、磁場はほとんどの場合、励磁システムによって生成された励磁電流が発電機の回転子巻線を流れることによって形成されます。つまり、磁気は電気によって生成されます。
1.励磁システムとは何ですか？同期発電機はエネルギー変換を実現するために直流磁場を必要とし、この磁場を発生させる直流電流を発電機の励磁電流と呼びます。一般的に、電磁誘導の原理に従って発電機の回転子に磁場を形成するプロセスを励磁と呼びます。励磁システムとは、同期発電機に励磁電流を供給する機器のことです。同期発電機の重要な部分であり、一般的に励磁電源ユニットと励磁レギュレータの2つの主要な部分で構成されています。励磁電源ユニットは同期発電機の回転子に励磁電流を供給し、励磁レギュレータは入力信号と与えられた調整基準に従って励磁電源ユニットの出力を制御します。
2.励磁システムの機能励磁システムの主な機能は、以下のとおりです。（1）通常の運転状態では、発電機に励磁電流を供給し、発電機の端子電圧と負荷条件に応じて所定の法則に従って励磁電流を調整し、電圧安定性を維持します。なぜ励磁電流を調整することで電圧安定性を維持できるのでしょうか？発電機固定子巻線の誘導電位（無負荷電位）Ed、端子電圧Ug、発電機の無効負荷電流Ir、および縦同期リアクタンスXdの間には、おおよそ次の関係があります。
誘導電位Edは磁束に比例し、磁束は励磁電流の大きさに依存します。励磁電流が変化しない場合、磁束と誘導電位Edは変化しません。上記の式から、無効電流が増加すると発電機の端子電圧が低下することがわかります。しかし、ユーザーの電力品質要件を満たすためには、発電機の端子電圧は基本的に変化しない必要があります。明らかに、この要件を満たす方法は、無効電流Irの変化（つまり、負荷の変化）に応じて発電機の励磁電流を調整することです。（2）負荷条件に応じて、励磁電流は所定の規則に従って調整され、無効電力を調整します。なぜ無効電力を調整する必要があるのでしょうか？変圧器、モーター、溶接機など、多くの電気機器は電磁誘導の原理に基づいて動作します。それらはすべて、交流磁場の発生によってエネルギーを変換および転送します。交流磁場と誘導磁束を発生させるために必要な電力を無効電力と呼びます。電磁コイルを備えたすべての電気機器は、磁場を形成するために無効電力を消費します。無効電力がなければ、モーターは回転せず、変圧器は電圧を変換できず、多くの電気機器は動作しません。したがって、無効電力は決して無駄な電力ではありません。通常の状況では、電気機器は発電機から有効電力を得るだけでなく、発電機から無効電力も得る必要があります。電力網の無効電力が不足すると、電気機器は正常な電磁場を形成するのに十分な無効電力を得られなくなります。すると、これらの電気機器は定格動作を維持できず、電気機器の端子電圧が低下し、電気機器の正常な動作に影響を与えます。したがって、実際の負荷に応じて無効電力を調整する必要があり、発電機によって出力される無効電力は励磁電流の大きさに関連しています。具体的な原理についてはここでは詳しく説明しません。 （3）電力系統の短絡事故などにより発電機端子電圧が大幅に低下した場合、発電機を強制的に励磁することで、電力系統の動的安定限界およびリレー保護動作の精度を向上させることができます。 （4）突然の負荷遮断などにより発電機過電圧が発生した場合、発電機を強制的に消磁することで、発電機端子電圧の過度な上昇を抑制できます。 （5）電力系統の静的安定性を向上させます。 （6）発電機内部および導線間で相間短絡が発生した場合、または発電機端子電圧が高すぎる場合は、速やかに消磁することで事故の拡大を抑制します。 （7）並列発電機の無効電力を合理的に配分することができます。
3.励磁システムの分類 発電機が励磁電流を得る方法（つまり、励磁電源の供給方法）によって、励磁システムは外部励磁と自己励磁に分けられます。他の電源から得られる励磁電流を外部励磁、発電機自身から得られる励磁電流を自己励磁といいます。整流方法によって、回転励磁と静的励磁に分けられます。静的励磁システムには専用の励磁機がありません。発電機自身から励磁電力を得る場合、自己励磁静的励磁と呼ばれます。自己励磁静的励磁は、自己並列励磁と自己合成励磁に分けられます。
最も一般的に使用される励磁方式は、下図に示すように、自己並列励磁（静的励磁）です。この方式では、発電機の出口に接続された整流変圧器を介して励磁電力を取得し、整流後に発電機励磁電流を供給します。
自己並列励磁スタティック整流器励磁システムの配線図
自己並列励磁静止励磁システムは、主に励磁変圧器、整流器、消磁装置、調整器、過電圧保護装置で構成され、これら5つの部品はそれぞれ以下の機能を果たします。
（１）励磁変圧器：機械端の電圧を整流器に適合した電圧まで下げる。
（2）整流器：システム全体の中核となる部品です。交流から直流への変換には、三相全制御ブリッジ回路がよく用いられます。
(3) 消磁装置：消磁装置は、消磁スイッチと消磁抵抗器の2つの部分から構成されています。この装置は、事故発生時にユニットの迅速な消磁を担います。
（４）調整制御装置：励磁システムの制御装置は、整流装置のサイリスタの導通角を制御することにより励磁電流を変化させ、発電機の無効電力および電圧を調整する効果を達成する。
（５）過電圧保護：発電機回転子回路に過電圧が発生した場合、回路がオンになり、過電圧エネルギーを消費し、過電圧値を制限して、発電機回転子巻線およびそれに接続された機器を保護します。
自己並列励磁式静止励磁システムの利点は、構造が簡単で、設備投資が少なく、投資額が少なく、メンテナンス費用も少ないことです。欠点は、発電機またはシステムが短絡すると励磁電流が消失または大幅に低下するため、この場合は励磁電流を大幅に増加させる（つまり強制励磁する）必要があることです。しかし、現代の大型ユニットは主に密閉型バスバーを採用しており、高圧電力系統は一般的に迅速な保護と高い信頼性を備えているため、この励磁方式を採用するユニット数は増加しており、規制や仕様でも推奨されている励磁方式です。4. ユニットの電気ブレーキユニットが無負荷でシャットダウンすると、ローターの巨大な回転慣性により、機械エネルギーの一部が蓄えられます。このエネルギーは、スラストベアリング、ガイドベアリング、および空気の摩擦熱エネルギーに変換されて初めて完全に停止します。空気の摩擦損失は円周の線速度の2乗に比例するため、ローター速度は最初は急速に低下し、その後、低速で長時間アイドリング状態になります。ユニットが低速で長時間運転すると、スラストヘッド下のミラープレートとベアリングブッシュ間の油膜が確立されないため、スラストブッシュが焼損する可能性があります。そのため、シャットダウンプロセス中にユニットの速度が特定の値まで低下すると、ユニットブレーキシステムを使用する必要があります。ユニットブレーキは、電気ブレーキ、機械ブレーキ、および複合ブレーキに分けられます。電気ブレーキは、発電機を分離・消磁した後、機械端出口で三相発電機の固定子を短絡させ、ユニット速度が定格速度の約50％～60％に低下するのを待ちます。一連の論理演算を経て制動力が供給され、励磁レギュレータが電気ブレーキモードに切り替わり、発電機の回転子巻線に励磁電流が流れます。発電機が回転しているため、回転子の磁界の作用により固定子は短絡電流を誘導します。発生する電磁トルクは回転子の慣性方向と正反対であり、ブレーキの役割を果たします。電気ブレーキを実現する過程では、ブレーキ電源を外部から供給する必要があり、これは励磁システムの主回路構造と密接に関連しています。下図に、電気ブレーキ励磁電源を得るための様々な方法を示します。
電気ブレーキ励磁電源を得るための様々な方法
第一の方法は、励磁装置が自己並列励磁配線方式であることです。機械端が短絡すると、励磁変圧器には電源が供給されなくなります。ブレーキ電源は専用のブレーキ変圧器から供給され、ブレーキ変圧器は発電所電源に接続されます。前述のように、ほとんどの水力発電プロジェクトでは自己並列励磁静止整流器励磁システムが採用されており、励磁システムと電気ブレーキシステムに整流ブリッジを使用する方が経済的です。そのため、この方法で電気ブレーキ励磁電源を得る方が一般的です。この方法による電気ブレーキのワークフローは次のとおりです。
（１）ユニットコンセントのブレーカーが開かれ、システムが切り離されます。
（２）回転子巻線が消磁される。
（３）励磁変圧器の二次側の電源スイッチが開かれる。
（４）ユニットの電気ブレーキ短絡スイッチが閉じている。
（５）電気ブレーキ変圧器の二次側の電源スイッチが閉じられている。
（６）整流ブリッジサイリスタが導通状態となり、ユニットは電気ブレーキ状態となる。
（7）ユニットの速度がゼロの場合、電気ブレーキが解除されます（複合ブレーキを使用する場合は、速度が定格速度の5％〜10％に達すると、機械ブレーキが適用されます）。 5.インテリジェント励磁システム インテリジェント水力発電所とは、情報のデジタル化、通信ネットワーク化、統合標準化、ビジネスインタラクション、運用最適化、インテリジェントな意思決定を備えた水力発電所または水力発電所グループを指します。 インテリジェント水力発電所は、プロセス層、ユニット層、ステーション制御層に垂直に分かれており、プロセス層ネットワーク（GOOSEネットワーク、SVネットワーク）とステーション制御層ネットワーク（MMSネットワーク）の3層2ネットワーク構造を使用しています。 インテリジェント水力発電所は、インテリジェント機器によってサポートされる必要があります。 水車発電機セットの中核制御システムとして、励磁システムの技術開発は、インテリジェント水力発電所の建設において重要なサポート役割を果たしています。
インテリジェント水力発電所では、タービン発電機セットの起動と停止、無効電力の増減、緊急停止などの基本的なタスクに加えて、励磁システムはIEC61850データモデリングおよび通信機能を満たし、ステーション制御層ネットワーク（MMSネットワーク）およびプロセス層ネットワーク（GOOSEネットワークおよびSVネットワーク）との通信をサポートする必要があります。 励磁システムデバイスは、インテリジェント水力発電所システム構造のユニット層に配置され、マージユニット、インテリジェント端末、補助制御ユニットなどのデバイスまたはインテリジェント機器はプロセス層に配置されます。システム構造を下図に示します。
インテリジェント励起システム
インテリジェント水力発電所のステーション制御層のホストコンピュータは、IEC61850通信規格の要件を満たし、励磁システムの信号をMMSネットワークを介して監視システムのホストコンピュータに送信します。インテリジェント励磁システムは、GOOSEネットワークおよびSVネットワークスイッチに接続してプロセス層のデータを収集できる必要があります。プロセス層では、CT、PT、およびローカルコンポーネントによって出力されるデータがすべてデジタル形式である必要があります。CTとPTはマージユニットに接続されます（電子トランスフォーマーは光ケーブルで接続され、電磁トランスフォーマーはケーブルで接続されます）。電流と電圧のデータがデジタル化された後、光ケーブルを介してSVネットワークスイッチに接続されます。ローカルコンポーネントはケーブルを介してインテリジェント端末に接続する必要があり、スイッチまたはアナログ信号はデジタル信号に変換され、光ケーブルを介してGOOSEネットワークスイッチに送信されます。現在、励磁システムは基本的に、ステーション制御層MMSネットワークおよびプロセス層GOOSE / SVネットワークとの通信機能を備えています。インテリジェント励磁システムは、IEC61850通信規格のネットワーク情報相互作用を満たすだけでなく、包括的なオンライン監視、インテリジェントな故障診断、そして便利な試験操作と保守機能も備えている必要があります。完全な機能を備えたインテリジェント励磁装置の性能と適用効果は、将来の実際のエンジニアリングアプリケーションで検証される必要があります。
投稿日時: 2024年10月9日
