Rivieren in de natuur hebben allemaal een bepaalde helling. Water stroomt langs de rivierbedding onder invloed van de zwaartekracht. Water op grote hoogte bevat een overvloed aan potentiële energie. Met behulp van hydraulische constructies en elektromechanische apparatuur kan de energie van water worden omgezet in elektrische energie, oftewel waterkracht. Het principe van waterkrachtopwekking is elektromagnetische inductie: wanneer een geleider de magnetische fluxlijnen in een magnetisch veld doorsnijdt, genereert deze stroom. De "beweging" van de geleider in het magnetische veld wordt veroorzaakt door de waterstroom die op de turbine inwerkt om waterenergie om te zetten in roterende mechanische energie; en het magnetische veld wordt bijna altijd gevormd door de excitatiestroom die wordt gegenereerd door het excitatiesysteem dat door de rotorwikkeling van de generator stroomt; dat wil zeggen, het magnetisme wordt opgewekt door elektriciteit.
1. Wat is het excitatiesysteem? Om de energieomzetting te realiseren, heeft de synchrone generator een magnetisch gelijkstroomveld nodig. De gelijkstroom die dit magnetische veld genereert, wordt de excitatiestroom van de generator genoemd. In het algemeen wordt het proces van het vormen van een magnetisch veld in de generatorrotor volgens het principe van elektromagnetische inductie excitatie genoemd. Het excitatiesysteem verwijst naar de apparatuur die de excitatiestroom voor de synchrone generator levert. Het is een belangrijk onderdeel van de synchrone generator. Het bestaat over het algemeen uit twee hoofdonderdelen: de excitatie-eenheid en de excitatieregelaar. De excitatie-eenheid levert excitatiestroom aan de rotor van de synchrone generator, en de excitatieregelaar regelt de uitgang van de excitatie-eenheid op basis van het ingangssignaal en de gegeven regelcriteria.
2. Functie van het excitatiesysteem Het excitatiesysteem heeft de volgende hoofdfuncties: (1) Onder normale bedrijfsomstandigheden levert het de generator-excitatiestroom en past de excitatiestroom aan volgens de gegeven wet, afhankelijk van de spanning van de generatoraansluiting en de belasting, om de spanningsstabiliteit te behouden. Waarom kan de spanningsstabiliteit worden gehandhaafd door de excitatiestroom aan te passen? Er bestaat een benaderende relatie tussen de geïnduceerde potentiaal (d.w.z. nullastpotentiaal) Ed van de statorwikkeling van de generator, de spanning van de aansluiting Ug, de reactieve belastingstroom Ir van de generator en de longitudinale synchrone reactantie Xd:
De geïnduceerde potentiaal Ed is evenredig met de magnetische flux, en de magnetische flux is afhankelijk van de grootte van de excitatiestroom. Wanneer de excitatiestroom onveranderd blijft, blijven de magnetische flux en de geïnduceerde potentiaal Ed onveranderd. Uit de bovenstaande formule blijkt dat de klemspanning van de generator afneemt naarmate de reactieve stroom toeneemt. Om echter te voldoen aan de eisen van de gebruiker ten aanzien van de netkwaliteit, moet de klemspanning van de generator in principe onveranderd blijven. De manier om aan deze eis te voldoen, is uiteraard door de excitatiestroom van de generator aan te passen naarmate de reactieve stroom Ir verandert (d.w.z. de belasting verandert). (2) Afhankelijk van de belastingsomstandigheden wordt de excitatiestroom aangepast volgens een bepaalde regel om het reactieve vermogen aan te passen. Waarom is het nodig om het reactieve vermogen aan te passen? Veel elektrische apparatuur werkt op basis van elektromagnetische inductie, zoals transformatoren, motoren, lasmachines, enz. Ze zijn allemaal afhankelijk van het ontstaan van een wisselend magnetisch veld om energie om te zetten en over te dragen. Het elektrische vermogen dat nodig is om een wisselend magnetisch veld en geïnduceerde magnetische flux te creëren, wordt reactief vermogen genoemd. Alle elektrische apparatuur met elektromagnetische spoelen verbruikt blindvermogen om een magnetisch veld te creëren. Zonder blindvermogen draait de motor niet, kan de transformator de spanning niet omzetten en werken veel elektrische apparaten niet. Blindvermogen is daarom zeker geen nutteloze energie. Onder normale omstandigheden haalt elektrische apparatuur niet alleen actief vermogen uit de generator, maar moet het ook blindvermogen uit de generator halen. Als er te weinig blindvermogen in het elektriciteitsnet aanwezig is, heeft de elektrische apparatuur niet voldoende blindvermogen om een normaal elektromagnetisch veld te creëren. Deze elektrische apparatuur kan dan de nominale werking niet handhaven en de klemspanning van de elektrische apparatuur zal dalen, wat de normale werking van de elektrische apparatuur beïnvloedt. Daarom is het noodzakelijk om het blindvermogen aan te passen aan de werkelijke belasting, en het door de generator afgegeven blindvermogen is gerelateerd aan de grootte van de excitatiestroom. Het specifieke principe zal hier niet verder worden uitgewerkt. (3) Wanneer er een kortsluiting in het elektriciteitsnet optreedt of andere redenen ervoor zorgen dat de spanning op de generatoraansluiting ernstig daalt, kan de generator geforceerd worden aangeslagen om de dynamische stabiliteitslimiet van het elektriciteitsnet en de nauwkeurigheid van de relaisbeveiliging te verbeteren. (4) Wanneer de overspanning van de generator optreedt als gevolg van plotselinge belastingafschakeling en andere redenen, kan de generator geforceerd worden ontmagnetiseerd om de buitensporige stijging van de spanning op de generatoraansluiting te beperken. (5) De statische stabiliteit van het elektriciteitsnet verbeteren. (6) Wanneer er een fase-tot-fase kortsluiting in de generator en op de aansluitdraden optreedt of als de spanning op de generatoraansluiting te hoog is, wordt er snel ontmagnetiseerd om de uitbreiding van het ongeval te beperken. (7) Het reactieve vermogen van de parallelle generatoren kan redelijk worden verdeeld.
3. Classificatie van excitatiesystemen Afhankelijk van de manier waarop de generator de excitatiestroom verkrijgt (d.w.z. de voedingsmethode van de excitatievoeding), kan het excitatiesysteem worden onderverdeeld in externe excitatie en zelfexcitatie: de excitatiestroom die wordt verkregen van andere voedingen wordt externe excitatie genoemd; de excitatiestroom die wordt verkregen van de generator zelf wordt zelfexcitatie genoemd. Volgens de gelijkrichtmethode kan het worden onderverdeeld in roterende excitatie en statische excitatie. Het statische excitatiesysteem heeft geen speciale excitatiemachine. Als het excitatievermogen wordt verkregen van de generator zelf, wordt het zelfexcitatie of statische excitatie genoemd. Statische excitatie met zelfexcitatie kan worden onderverdeeld in zelfparallelle excitatie en zelfcompounderende excitatie.
De meest gebruikte excitatiemethode is zelfparallelle statische excitatie, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Het excitatievermogen wordt verkregen via de gelijkrichtertransformator die is aangesloten op de uitgang van de generator en de generator wordt na gelijkrichting voorzien van excitatiestroom.
Bedradingsschema van een statische gelijkrichter-excitatiesysteem met zelfparallelle excitatie
Het statische excitatiesysteem met zelfparallelle excitatie bestaat hoofdzakelijk uit de volgende onderdelen: excitatietransformator, gelijkrichter, demagnetiseringsapparaat, regelregelaar en overspanningsbeveiliging. Deze vijf onderdelen vervullen respectievelijk de volgende functies:
(1) Bekrachtigingstransformator: verlaag de spanning aan de machine-kant naar een spanning die overeenkomt met de gelijkrichter.
(2) Gelijkrichter: Dit is de kerncomponent van het gehele systeem. Een volledig gestuurde driefasenbrug wordt vaak gebruikt om de omzetting van wisselstroom naar gelijkstroom te voltooien.
(3) Demagnetiseringsinrichting: De demagnetiseringsinrichting bestaat uit twee delen: de demagnetiseringsschakelaar en de demagnetiseringsweerstand. Deze inrichting zorgt voor het snel demagnetiseren van het apparaat bij een ongeval.
(4) Regelaar: Het regelapparaat van het excitatiesysteem verandert de excitatiestroom door de geleidingshoek van de thyristor van het gelijkrichterapparaat te regelen om het effect te bereiken van het regelen van het reactieve vermogen en de spanning van de generator.
(5) Overspanningsbeveiliging: Wanneer er een overspanning in het rotorcircuit van de generator optreedt, wordt het circuit ingeschakeld om de overspanningsenergie te verbruiken, de overspanningswaarde te beperken en de wikkeling van de rotor van de generator en de aangesloten apparatuur te beschermen.
De voordelen van het statische excitatiesysteem met zelfparallelle excitatie zijn: een eenvoudige structuur, minder apparatuur, een lage investering en minder onderhoud. Het nadeel is dat bij kortsluiting van de generator of het systeem de excitatiestroom sterk zal afnemen of verdwijnen, terwijl de excitatiestroom op dat moment juist sterk zou moeten worden verhoogd (d.w.z. gedwongen excitatie). Aangezien moderne grote units meestal gesloten rails gebruiken en hoogspanningsnetten over het algemeen zijn uitgerust met snelle beveiliging en een hoge betrouwbaarheid, neemt het aantal units dat deze excitatiemethode gebruikt toe. Dit is tevens de excitatiemethode die wordt aanbevolen door regelgeving en specificaties. 4. Elektrisch remmen van de unit Wanneer de unit onbelast en uitgeschakeld is, wordt een deel van de mechanische energie opgeslagen door de enorme rotatietraagheid van de rotor. Dit deel van de energie kan pas volledig worden gestopt nadat het is omgezet in wrijvingswarmte-energie van het axiaal lager, het geleidingslager en de lucht. Omdat het wrijvingsverlies van de lucht evenredig is met het kwadraat van de lineaire snelheid van de omtrek, daalt de rotorsnelheid eerst zeer snel en draait deze vervolgens lange tijd stationair op een laag toerental. Wanneer de unit langdurig op lage snelheid draait, kan de drukbus doorbranden omdat de oliefilm tussen de spiegelplaat onder de drukkop en de lagerbus niet tot stand kan komen. Daarom moet tijdens het uitschakelen, wanneer de snelheid van de unit daalt tot een bepaalde waarde, het remsysteem van de unit worden ingeschakeld. De unitremfunctie bestaat uit elektrisch remmen, mechanisch remmen en gecombineerd remmen. Elektrisch remmen bestaat uit het kortsluiten van de stator van de driefasengenerator aan de uitlaat van de machine nadat de generator is ontkoppeld en gedemagnetiseerd, en het wachten tot de snelheid van de unit is gedaald tot ongeveer 50% tot 60% van de nominale snelheid. Door middel van een reeks logische bewerkingen wordt het remvermogen geleverd en schakelt de bekrachtigingsregelaar over naar de elektrische remmodus om bekrachtigingsstroom toe te voegen aan de rotorwikkeling van de generator. Omdat de generator draait, induceert de stator een kortsluitstroom onder invloed van het magnetische veld van de rotor. Het gegenereerde elektromagnetische koppel is precies tegengesteld aan de traagheidsrichting van de rotor, wat een remmende rol speelt. Bij het realiseren van elektrisch remmen is een externe remvoeding nodig, die nauw verbonden is met de hoofdcircuitstructuur van het bekrachtigingssysteem. Verschillende manieren om de elektrische rembekrachtiging te verkrijgen, worden in de onderstaande afbeelding getoond.
Verschillende manieren om de elektrische rembekrachtigingsvoeding te verkrijgen
De eerste methode is gebaseerd op een zelfparallelle excitatiebedradingsmethode. Wanneer de machine-uiteinde kortgesloten is, heeft de excitatietransformator geen stroomtoevoer. De remvoeding wordt geleverd door een speciale remtransformator, die is aangesloten op de netvoeding van de centrale. Zoals hierboven vermeld, gebruiken de meeste waterkrachtprojecten een statische gelijkrichter met zelfparallelle excitatie, en is het economischer om een gelijkrichterbrug te gebruiken voor het excitatiesysteem en het elektrische remsysteem. Daarom wordt deze methode voor het verkrijgen van de elektrische rembekrachtigingsvoeding vaker gebruikt. De workflow voor elektrisch remmen is als volgt:
(1) De stopcontactschakelaar van de eenheid wordt geopend en het systeem wordt ontkoppeld.
(2) De rotorwikkeling is ontmagnetiseerd.
(3) De schakelaar aan de secundaire zijde van de excitatietransformator wordt geopend.
(4) De kortsluitschakelaar van de elektrische rem van de eenheid is gesloten.
(5) De schakelaar aan de secundaire zijde van de elektrische remtransformator is gesloten.
(6) De thyristor van de gelijkrichterbrug wordt aangestuurd om te geleiden, en de eenheid gaat in de elektrische remtoestand.
(7) Wanneer de snelheid van de eenheid nul is, wordt de elektrische rem losgelaten (indien gecombineerd remmen wordt gebruikt, wanneer de snelheid 5% tot 10% van de nominale snelheid bereikt, wordt mechanisch remmen toegepast). 5. Intelligent excitatiesysteem Intelligente waterkrachtcentrale verwijst naar een waterkrachtcentrale of waterkrachtcentralegroep met informatiedigitalisering, communicatienetwerken, geïntegreerde standaardisatie, zakelijke interactie, operationele optimalisatie en intelligente besluitvorming. Intelligente waterkrachtcentrales zijn verticaal verdeeld in proceslaag, eenheidslaag en stationsbesturingslaag, met behulp van een 3-laags 2-netwerkstructuur van proceslaagnetwerk (GOOSE-netwerk, SV-netwerk) en stationsbesturingslaagnetwerk (MMS-netwerk). Intelligente waterkrachtcentrales moeten worden ondersteund door intelligente apparatuur. Als het kerncontrolesysteem van de waterturbinegeneratorset speelt de technologische ontwikkeling van het excitatiesysteem een belangrijke ondersteunende rol bij de constructie van intelligente waterkrachtcentrales.
In intelligente waterkrachtcentrales moet het excitatiesysteem, naast het uitvoeren van basistaken zoals het starten en stoppen van de turbinegeneratorset, het verhogen en verlagen van het reactieve vermogen en het uitvoeren van noodstops, ook voldoen aan de IEC61850-datamodellerings- en communicatiefuncties en communicatie ondersteunen met het netwerk van de besturingslaag van de centrale (MMS-netwerk) en het netwerk van de proceslaag (GOOSE-netwerk en SV-netwerk). Het excitatiesysteem bevindt zich op de eenheidslaag van de systeemstructuur van de intelligente waterkrachtcentrale, en de samenvoegingseenheid, de intelligente terminal, de hulpbesturingseenheid en andere apparaten of intelligente apparatuur bevinden zich op de proceslaag. De systeemstructuur is weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Intelligent excitatiesysteem
De hostcomputer van de stationsbesturingslaag van de intelligente waterkrachtcentrale voldoet aan de eisen van de IEC61850-communicatiestandaard en stuurt het signaal van het excitatiesysteem via het MMS-netwerk naar de hostcomputer van het monitoringsysteem. Het intelligente excitatiesysteem moet verbinding kunnen maken met het GOOSE-netwerk en de SV-netwerkswitches om gegevens te verzamelen op de proceslaag. De proceslaag vereist dat de gegevensuitvoer van CT, PT en lokale componenten allemaal digitaal is. CT en PT zijn verbonden met de samenvoegingseenheid (elektronische transformatoren zijn verbonden via optische kabels en elektromagnetische transformatoren via kabels). Nadat de stroom- en spanningsgegevens zijn gedigitaliseerd, worden ze via optische kabels verbonden met de SV-netwerkswitch. De lokale componenten moeten via kabels worden verbonden met de intelligente terminal en de switch- of analoge signalen worden omgezet in digitale signalen en via optische kabels naar de GOOSE-netwerkswitch verzonden. Momenteel verzorgt het excitatiesysteem in principe de communicatiefunctie met het MMS-netwerk van de stationsbesturingslaag en het GOOSE/SV-netwerk van de proceslaag. Naast het voldoen aan de netwerkinformatie-interactie van de IEC61850-communicatiestandaard, moet het intelligente excitatiesysteem ook beschikken over uitgebreide online monitoring, intelligente foutdiagnose en gebruiksvriendelijke test- en onderhoudsfuncties. De prestaties en het toepassingseffect van het volledig functionele intelligente excitatieapparaat moeten worden getest in toekomstige technische toepassingen.
Plaatsingstijd: 9 oktober 2024
