水力発電所の励磁システムとは何ですか？

自然界の河川はすべて一定の傾斜を持っています。水は重力の作用によって河床に沿って流れます。高地の水は豊富な位置エネルギーを蓄えています。水力構造物や電気機械設備を利用することで、水のエネルギーを電気エネルギーに変換することができます。これが水力発電です。水力発電の原理は電磁誘導であり、導体が磁場内の磁束線を横切ると電流が発生します。ここで、磁場内の導体の「動き」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。また、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、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？ 同期発電機がエネルギー変換を実現するには、直流磁場が必要であり、この磁場を生成す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装置のことです。これは同期発電機の重要な部分です。一般的に、励磁電源ユニットと励磁調整器の2つの主要部分から構成されます。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、励磁調整器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次のとおりです。(1) 通常運転条件下では、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、電圧の安定性を維持します。励磁電流を調整することで電圧の安定性を維持できるのはなぜでしょうか。発電機の固定子巻線の誘導電位（すなわち無負荷電位）Ed、端子電圧Ug、発電機の無効負荷電流Ir、および縦方向同期リアクタンスXdの間には、近似的な関係があります。
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、無効電流の増加に伴って発電機の端子電圧が低下することがわかります。しかし、電力品質に関するユーザーの要求を満たすためには、発電機の端子電圧は基本的に変化しないようにする必要があります。明らかに、この要求を満たす方法は、無効電流 Ir が変化する（つまり、負荷が変化する）につれ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、所定の規則に従って励磁電流を調整し、無効電力を調整します。無効電力を調整する必要があるのはなぜですか？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。これらはすべて、交流磁場の確立に依存してエネルギーを変換および伝達します。交流磁場と誘導磁束を確立するために必要な電力は、無効電力と呼ばれます。電磁コイルを備えたすべての電気機器は、磁場を生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、電気機器は発電機から有効電力を得るだけでなく、無効電力も発電機から得る必要があります。電力系統の無効電力が不足すると、電気機器は正常な電磁場を生成するのに十分な無効電力を得ることができません。そうなると、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及ぼします。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、発電機から出力される無効電力は励磁電流の大きさに関係します。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）電力系統で短絡事故が発生した場合、またはその他の理由で発電機の端子電圧が著しく低下した場合、発電機を強制励磁して、電力系統の動的安定限界とリレー保護動作の精度を向上させることができます。（４）急激な負荷遮断などの理由で発電機の過電圧が発生した場合、発電機を強制消磁して、発電機の端子電圧の過大な上昇を制限できます。（５）電力系統の静的安定性を向上させます。（６）発電機内部およびリード線で相間短絡が発生した場合、または発電機の端子電圧が高すぎる場合、迅速に消磁して事故の拡大を制限します。（７）並列発電機の無効電力を合理的に分配できます。

3. 励磁システムの分類 発電機が励磁電流を得る方法（すなわち、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類できます。他の電源から得られる励磁電流は外部励磁と呼ばれ、発電機自身から得られる励磁電流は自己励磁と呼ばれます。整流方法によって、回転励磁と静止励磁に分類できます。静止励磁システムは、専用の励磁機を持ちません。発電機自身から励磁電力を得る場合、それは自己励磁静止励磁と呼ばれます。自己励磁静止励磁は、自己並列励磁と自己複巻励磁に分類できます。
最も一般的に用いられる励磁方式は、下図に示すような自己並列励磁静的励磁方式です。この方式では、発電機出力に接続された整流変圧器を通して励磁電力を得て、整流後に発電機励磁電流を供給します。
自己並列励磁式静止整流器励磁システムの配線図

自己並列励磁静的励磁システムは、主に励磁変圧器、整流器、消磁装置、制御器、過電圧保護装置から構成されます。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：機械側の電圧を整流器に適合する電圧まで下げる。
（２）整流器：システム全体のコアコンポーネントです。交流から直流への変換タスクを完了するために、三相全制御ブリッジ回路がよく使用されます。
（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ます。この装置は、事故発生時にユニットを迅速に消磁する役割を担います。
（４）制御コントローラ：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、発電機の無効電力と電圧を調整する効果を実現する。
（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、回路をオンにして過電圧エネルギーを消費し、過電圧値を制限し、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。
自己並列励磁静的励磁システムの利点は、構造が単純で、機器が少なく、投資額が少なく、メンテナンスも少ないことです。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一方で、このとき励磁電流を大幅に増加させる必要がある（つまり強制励磁する）ことです。しかし、現代の大型ユニットは主に閉母線を使用しており、高電圧電力網は一般的に迅速な保護と高い信頼性を備えていることを考慮すると、この励磁方式を使用するユニットの数は増加しており、これは規制や仕様で推奨されている励磁方式でもあります。 4. ユニットの電気ブレーキ ユニットが無負荷で停止すると、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積されます。このエネルギーの一部は、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た後にのみ完全に停止できます。空気の摩擦損失は円周の線速度の二乗に比例するため、ローター速度は最初は非常に速く低下し、その後、低速で長時間アイドル状態になります。ユニットが長時間低速で運転されると、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の間に油膜が形成されないため、スラストブッシュが焼損する可能性があります。このため、停止プロセス中、ユニットの速度が特定の指定値まで低下すると、ユニットのブレーキシステムを使用する必要があります。ユニットのブレーキは、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、発電機を切り離して消磁した後、機械端出口で三相発電機の固定子を短絡し、ユニットの速度が定格速度の約50%～60%まで低下するのを待ちます。一連の論理演算により制動力が供給され、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加えられます。発電機が回転しているため、固定子は回転子の磁界の作用により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ちょうど逆方向であり、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係しています。電気ブレーキ励磁電源を得るための様々な方法を下図に示します。
電気ブレーキ励磁電源を得るための様々な方法
第一の方法では、励磁装置は自己並列励磁配線方式を採用しています。機械側が短絡すると、励磁変圧器への電源供給が停止します。制動電源は専用の制動変圧器から供給され、制動変圧器は発電所の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を使用しており、励磁システムと電気制動システムに整流器ブリッジを使用する方が経済的です。そのため、この電気制動励磁電源の取得方法がより一般的です。この方法の電気制動のワークフローは以下のとおりです。
（１）ユニット出口の回路ブレーカーが開かれ、システムが切り離される。
（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ている。
（６）整流ブリッジサイリスタが導通状態になり、ユニットは電気ブレーキ状態に入る。
（７）ユニットの速度がゼロになると、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、情報デジタル化、通信ネットワーク化、統合標準化、業務連携、運用最適化、インテリジェント意思決定を備えた水力発電所または水力発電所群を指します。インテリジェント水力発電所は、プロセス層、ユニット層、およびステーション制御層に垂直に分割され、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。水力タービン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構築において重要なサポートの役割を果たします。
インテリジェント水力発電所では、タービン発電機の起動・停止、無効電力の増減、緊急停止などの基本タスクの実行に加え、励磁システムはIEC61850のデータモデリングおよび通信機能を満たし、発電所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。励磁システム装置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、統合ユニット、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。システム構造は下図に示されています。
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、プロセス層でデータを収集するために、GOOSEネットワークおよびSVネットワークスイッチに接続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から出力されるデータは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（電子トランスは光ケーブルで接続され、電磁トランス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され、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のMMSネットワークおよびプロセス層の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、そして容易な試験操作と保守機能も備えている必要がある。完全機能型インテリジェント励磁装置の性能と応用効果は、今後の実際の工学応用において検証する必要がある。